Prof. Ing. Valéria Hrabovcová PhD

1. Bezkefové (bezkartáčové) jednosmerné motory s permanentnými magnetmi(Brushless DC permanent magnet motors BLDC) Prof. Ing. Valéria Hrabovcová PhD

2. Vývoj a súčasný stav elektrických strojov (ES) • Nové trendy vo vývoji elektrických strojov sú ovplyvnené objavmi v oblasti: • Výkonovej elektroniky • Supravodivých materiálov • Permanentných magnetov

3. Objavy prvkov výkonovej elektroniky • 1948 – tranzistor – prvá elektronická revolúcia • 1956 – tyristor – druhá elektronická revolúcia • Moderná éra informačných technológií (umožnili rozšírenie pôsobenie elektrických strojov v aplikáciách ktoré neboli možné pri napájaní U=konšt., f=konšt.) • Dnes existujú stroje, ktoré bez polovodičových meničov nie sú schopné prevádzky (BLDC, SRM, krokový motor, PMSM,...)

4. Vlastnosti permanentných magnetov (PM) • Charakteristické veličiny: • Maximálny energetický súčin BHmax • Remanentná magnetická indukcia Br • Koercitívna sila Hc • Tvar BH charakteristiky v II. kvadrante

5. Vývoj BHmax materiálov PM

6. Ideálna BH charakteristika PM

7. Feromagnetické materiály

8. BH charakteristiky PM materiálov

9. Charakteristické veličiny PM materiálov (2013)

10. Vývoj bezkefových motorov

11. Možnosti uloženia PM • SPM (SurfacePermanent Magnet)- na povrchu rotora uložené PM • IPM ((InteriorPermanent Magnet)- vo vnútri rotora uložené PM

12. 1. riadok: Klasické elektrické stroje- charakteristika • Vytvárajú konštantný hladký moment bez zvlnenia (resp. s malým zvlnením ) • Pracujú na čistej jednosmernej alebo striedavej sínusovej sieti • Môžu sa rozbehnúť po pripojení na túto jednosmernú alebo striedavú sínusovú sieť a pracovať na nej bez elektronického regulátora • Sú schopné spolupracovať s elektronickými regulátormi aby sa ich rýchlosť mohla vhodne regulovať

13. 1. stĺpec: Vývoj jednosmerných motorov • Druhý riadok • Budiace vinutie nahradené PM na statore • Rotor ostáva bez zmeny- komutátor + kefy • Tretí riadok • Inverzná konštrukcia t.j. budenie PM na rotore, cievky kotvy na statore napojené na elektronický komutátor – bezkefový jednosmerný motor s PM (BLDC)

14. 2. stĺpec: Vývoj synchrónnych motorov • Druhý riadok • Budiace vinutie nahradené PM na rotore- nepotrebuje kefy (bezkefový synchrónny motor s permanentnými magnetmi - PMSM) • Stator ostáva bez zmeny • Tretí riadok • Synchrónny motor s vyjadrenými pólmi bez budenia t.j. reluktančný synchrónny motor

15. 3. stĺpec: Asynchrónny motor • Prvý riadok • Rotor s klietkou nakrátko resp. s vinutou kotvou • Tretí riadok • Krokový alebo spínaný reluktančný motor- nová generácia elektrických strojov, ktorá pracuje len s polovodičovými meničmi

16. Princíp činnosti bezkefových jednosmerných motorov BLDC • Spínač kefa – lamela nahradiť polovodičovými prvkami • Použiť najmenší možný počet cievok kotvy t.j. tri • Stator má trojfázové vinutie

17. Druhy vinutí kotvy- drážkové a bezdrážkové Vinutie uložené v drážkach q – počet drážok na pól a fázu q - celé číslo q – zlomok- zlomkové vinutie • 2) Koncentrované (sústredené) 3f vinutie • kratšie čelá vinutia • rozpätie cievky rovné zubovému rozstupu • vyšší obsah harmonických zložiek v Ui • vyššie zvlnenie momentu(coggingtorque, rippletorque) • jednoduchšia výroba- veľmi často využívané v BLDC • 1) Rozložené 3f vinutie • dlhšie čelá vinutia • rozpätie cievky rovné pólovému • rozstupu • hladší priebeh Ui • menšie zvlnenie momentu • (coggingtorque, rippletorque) • zložitejšia výroba

18. Rozložené vinutie, pohľad na detail cievky a bandážované čelá vinutia

19. Rozložené vinutie v drážkach

20. Sústredené cievky, detail zuba a cievky

21. Vinutie uložené v drážkach q = 1, Q = 6, m = 3, 2p = 2 Rozložené vinutie, stav naprázdno q = 1, Q = 6, m = 3, 2p = 2 Sústredené vinutie, stav naprázdno

22. Sústredené zlomkové vinutie q = 1/2, Q = 6, m = 3, 2p = 4 dvojvrstvové q = 1/2, Q = 6, m = 3, 2p = 4 jednovrstvové

23. E-kolobežka s BLDC motorom • Rotor s PM na povrchu rotora (2p=8) • Sústredené zlomkové vinutie statora (Q=12, m= 3, 2p=8, q= 1/2)

24. E-kolobežka s BLDC motorom • Prevod medzi rotorom a vonkajším obehovým kolesom • Umiestnenie 3 Hallových sond

25. Bezdrážkové vinutia 1) Jednoduchá výroba 2)Nevytvára „cogging torque“, tj. moment spôsobený premenlivou magnetickou vodivosťou vo vzduchovej medzere kvôli drážkovaniu statora, alebo rotora, alebo oboch členov 3) Veľká efektívna vzduchová medzera 4)Upevnenie je dané vlastnosťami lepidiel a technologickými postupmi

26. Napájanie trojfázového vinutia kotvy BLDC polovodičovým meničom Polovodičový menič sa skladá z troch vetiev tranzistorov a spätných diód po dvoch v každej vetve t.j. najjednoduchšia konštrukcia s troma fázami potrebuje 6+6 polovodičových prvkov stredy jednotlivých vetiev sú pripojené a fázy vinutia a jednotlivé tranzistory sú riadené mikropočítačom kde je implementovaný riadiaci algoritmus 6stupňová komutácia Táto 6stupňová komutácia vyžaduje informáciu o polohe rotora

27. Znalosť polohy rotora • 2) BLDC- potrebný snímač polohy • možnosti riadenia: • snímačové (Hallove sondy, fototranzistory) • bezsnímačové • stratégia spínania tranzistorov polovodičového meniča • spínajú sa vždy len dve fázy t.j. riadi sa len jeden prúd • spínanie sa uskutoční v správnom okamžiku tak aby sa vytvoril maximálny moment t.j. magnetický tok statorového poľa rotorového PM sú posunuté o 90° • 1) Klasický jednosmerný motor komutátor + kefy: • kefy zabezpečia, že vodič so správnym smerom prúdu je pod správnym magnetickým pólom

28. Stav naprázdno 1) Rozložené 3f vinutie 2) Koncentrované (sústredené) 3f vinutie

29. Priebehy napätia v jednotlivých fázach pri spínaní BLDC – spínacie vzory

30. Polohy rotora pri zaťažení vo vzťahu k spínacím stavom BLDC

31. Snímanie polohy pomocou Hallovej sondy Princíp činnosti Hallovej sondy

32. Najjednoduchší prípad s jedným vinutím Jedna Hallova sonda nestačí –potreba viacerých (aspoň troch)-pozri 22 Z mŕtvej polohy by sa BLDC nerozbehol

33. Beznímačové riadenie Priebeh indukovaného napätia v jednotlivých fázach θel [°] fáza „A“ fáza „B“ fáza „C“ Beznímačové riadenie je založené na princípe merania prechodu indukovaného napätia nulou lebo sa predpokladá, že vždy jedna fáza vinutia motora je odpojená od zdroja (pozri 29)

34. Zvlnenie momentu BLDC Lichobežníkový tvar indukovaného napätia Ui takmer obdĺžnikový tvar prúdu- okamžitá zmena prúdu nie je možná z toho vyplýva zákmit pri každom okamžiku komutácie (spínania) každých 60°, z čoho vyplýva zvlnenie momentu UiA IA UiB IB UiC IC

35. Skutočný priebeh Bδ a výpočet UiPM

36. Skutočný priebeh UiPM Simulované Merané Efektívna hodnota indukovaného napätia 132,5 V

37. Priebeh momentu BLDC 1) Ui – lichobežníkový priebeh, Ia lichobežníkový priebeh (pravouhlý) → M takmer konštanta 2) Ui – lichobežníkový priebeh, Ia sínusový priebeh alebo Ui – sínusový priebeh, Ia , alebo lichobežníkový priebeh→ M = moment nie je konštantný, je zložený z častí sínusového priebehu a je menší 3) Ui – sínusový priebeh, Ia sínusový priebeh → M = konštanta (SMPM, RSM, synchrónny)

38. Zapojenie trojfázového vinutia do hviezdy – vyžaduje PM na rozpätí 180°el.

39. Zapojenie trojfázového vinutia do trojuholníka – vyžaduje PM na rozpätí 120°el.

40. Činnosť SMPM • Rozloženie Bδ je sínusové (alebo kvázisínusové)– ako v synchrónnych strojoch s klasickým elektromagnetickým budením • Bδ sa docieli tvarom PM • Sínusový (alebo kvázisínusový) tvar krivky prúdu vo vinutí kotvy • Pri konštantnom napätí sa docieli metódou ŠIM prúdového meniča podľa okamžitej polohy rotora tak aby pracoval len s priečnym poľom kotvy, čo je vlastne vektorovo riadený synchrónny motor s uzavretou riadiacou slučkou od snímača polohy. Inak povedané, fázový prúd sa riadi tak, že statorové a rotorové magnetické polia sú na seba kolmé ako v klasických jednosmerných strojoch • Nároky na snímač polohy sú vysoké je potrebné snímať polohu rotora čo najjemnejšie vzhľadom na sínusový priebeh magnetického poľa Bδ

41. Vlastnosti BLDC a SMPM

42. Záver: • Chaos v terminológii: • názvy BLDC a SMPM sa miešajú dokonca tak, že sa dozviete, že BLDC je SMPM a pod. Kým pojmy nie sú normalizované, je na preferencii autorov, aké pojmy budú používať- nejednoznačnosť škodí porozumeniu problematiky • Čo sa v súčasnosti skúma: • Vplyv tvaru PM a štruktúry statorového vinutia na priebeh magnetickej indukcie vo vzduchovej medzere, indukovaného napätia a hlavne zvlnenia momentu • „Lowcost“, čiže nízko nákladové konštrukcie motorov a vplyv tohto spôsobu výroby na vlastnosti BLDC motorov (nekvalitná, nepresná výroba, nekvalitné plechy, excentricita rotora, a pod.) • Riadiace techniky- snímačové, bezsnímačové, tak, aby sa dosiahol konštantný moment a nehlučný chod • „Fault- tolerantsystem“- bezpečná prevádzka odolná poruchám • Témy na DP: • -Pomocou MKP skúmať vplyv tvaru PM a druhu vinutia statora na vlastnosti BLDC (veľkosť momentu, zvlnenie momentu a pod.) • -Simulácie ustálených a prechodových javov BLDC • Vplyv nízkonákladových konštrukcií na vlastnosti BLDC • Riadenie vhodné pre nízkonákladové konštrukcie – dajú sa riadením vylepšiť vlastnosti zhoršené konštrukciou stroja? • Bezpečná prevádzka – vyšetrovanie vlastnosti BLDC pri poruchách, atď. • Literatúra na ďalšie štúdium:

43. Literatúra Pyrhönen, J., Jokinen, T., Hrabovcová, V.: Design of Rotating Electrical Machines, John Wiley & Sons, Ltd, second edition, 2013, ISBN: 978-1-118-58157-5 Hrabovcová, V., Rafajdus, P.: Elektrické stroje. Teória a príklady, Žilina: EDIS, Žilinská univerzita v Žiline, 2009, ISBN 978-80-554-0101-0 Hrabovcová, V., Janoušek, L., Rafajdus, P., Ličko, M.: Moderné elektrické stroje, Žilina: EDIS, Žilinská univerzita v Žiline, 2001, 265 s. ISBN 80-7100-809-5 Hrabovcová, V. a kol.: Meranie a modelovanie elektrických strojov. Žilina: EDIS, Žilinská univerzita, 2009. 335 s. ISBN 978-80-8070-924-2 Bilal Akin, Manish Bhardwaj, Trapezoidal Control of BLDC Motors Using Hall Effect Sensors, Application note, Texas Instruments, 2000 Jaroslav Lebka, Pavel Grasblum, Použití mikroprocesorů pro řízení pohonů s BLDC motory, Učební texty ke kurzu, Freescale Semiconductor, 2011 Sekerák, P., Hrabovcová, V., Pyrhönen, J., Kalamen, L., Rafajdus, P., Onufer, M.: Comparison of Synchronous Motors with Different Permanent Magnet and Winding Types, IEEE Tansactions on Magnetics, 2013 www.cusp.umn.edu