Newsletter WObit

Silniki Bezszczotkowe Dunkermotoren

Silniki Bezszczotkowe Dunkermotoren

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (Brushless Direct Current - BLDC) są używane jako elementy wykonawcze w sprzęcie gospodarstwa domowego, przemyśle samochodowym, przemyśle lotniczym, sprzęcie medycznym, automatyce przemysłowej. Artykuł zawiera porównanie ich cech z silnikami komutowanymi za pomocą szczotek i indukcyjnymi oraz prezentuje urządzenia BLCD produkowane przez Dunkermotoren, dostępne w ofercie firmy WObit.

Silniki BLDC są typem zaliczanym do rodziny synchronicznych. Oznacza to, że pole magnetyczne wytwarzane przez stator i pole magnatyczne wytwarzane przez rotor mają taką samą częstotliwość. Silniki bezszczotkowe prądu stałego nie mają tak zwanego poślizgu, który można zaobserwować w zwykłych silnikach indukcyjnych. Napedy tego typu występują w trzech konfiguracjach, jako jednofazowe, dwufazowe i trójfazowe. Na potrzeby artykułu wykorzystano opis budowy, zasadę działania i sterowania najczęściej stosowanych silników trójfazowych.

Stator i uzwojenie
Stator jest podobny do używanego w silnikach indukcyjnych, niemniej jednak uzwojenia sa umieszczane w inny sposób. Większość silników BLDC ma trzy uzwojenia połączone w układzie gwiazdy. Ponumerowane zwoje każdego z uzwojeń są odpowiednio połączone tworząc dany układ. Jeden lub więcej zwojów są umieszczone w szczelinach i odpowiednio połączonych, tworząc uzwojenie. Każde z uzwojeń wyprowadza na końce statora odpowiedni biegun.

Istnieją dwa warianty uzwojeń statora:trapezoidalne i sinusoidalne. Różnica między nimi jest spowodowana bazowym wewnętrznym połączeniem zwojów w uzwojeniu statora, co pozwala uzyskać róznego rodzaju powrotne siły elektromotoryczne (Back EMF). Jak wskazują na to nazwy, silniki trapezoidalne - w kształcie sinusoidy.

Dodatkowo do kształtu powrotnej siły elektromotorycznej dochodzi kształt prądu, który również jest rozpatrywany w dwóch wariantach i ma formę trapezu bądź sinusoidy, w zależności od rozpatrywanego przypadku. Powoduje to iż moment wyjściowy jest bardziej gładki niż w przypadku silników trapezoidalnych. Niemniej jednak powoduj to wyższe koszty budowy, ponieważ na budowę statora i jego uzwojeń trzeba zużyć więcej miedzi.


 Rotor

Rotor jest wykonany z magnesów trwałych i może posiadać od dwóch do ośmiu par biegunów z alternatywnymi biegunami północnymi (N) i południowymi (S). Wybór materiału magnesu na budowę rotora zależy od gęstości biegunów. Materiały ferrytowe są najczęściej używane do budowy magnesów trwałych, jednak coraz większą popularność w tej dziedzinie zdobywają magnesy wytwarzane ze stopów ziem rzadkich. Magnesy ferrytowe są tańsze od wytwarzanych ze stopów ziemnych, lecz mają gorsze właściwości magnetyczne.

Zastosowanie magnesów ze stopów ziem rzadkich powoduje zwiększenie uzyskiwanego momentu w stosunku do rozmiarów i wagi maszyny. Przykładowe stopy magnetyczne ziem rzadkich to neodym (Nd), samar – kobalt (SmCo) i stopy neodymu, żelaza i boru (NdFeB).

Komutacja

W przeciwieństwie do silników szczotkowych prądu stałego komutacja motorów BLDC jest kontrolowana w sposób elektroniczny. Aby wprawić w ruch obrotowy silnik, stator musi być zasilany w odpowiedniej sekwencji. Ważna zatem jest znajomość pozycji rotora, aby odpowiednie fazy statora  mogły być zasilane w odpowiedniej chwili czasowej – sekwencyjnie. Pozycja rotora jest odczytywana z czujników Halla umieszczonych w statorze.

Większość silników BLDC jest wyposażona w trzy czujniki Halla umieszczone w statorze, w końcowej, niesterowalnej części silnika. Jeśli pole magnetyczne rotora znajduje się w pobliżu sensora Halla, daje on wysoki lub niski poziom sygnału, co uzależnione jest od tego, czy blisko niego znajduje się biegun północny czy południowy. W oparciu o sygnały z tych trzech sensorów może być skonstruowana odpowiednia sekwencja komutacji.
 

Aby ułatwić montaż czujników, stosuje się dodatkowe magnesy, które są blisko sensorów. Działają one jako przedłużenie głównych magnesów silnika, będąc ich pomniejszonymi replikami i dając taki sam efekt. Czujniki Halla są zazwyczaj umieszczane na płycie drukowanej przykręconej do tylnej, nienapędzanej części silnika. Na bazie fizycznej pozycji czujników Halla dostępne są dwie wersje wyjść. Mogą one być przesunięte pomiędzy sobą o 60 stopni kątowych lub o 120 stopni kątowych.

Podczas każdej sekwencji komutacji jedno uzwojenie jest zasilane pozytywną energią (prąd wpływa na uzwojenie), drugie uzwojenie jest zasilane negatywnie (prąd wypływa z uzwojenia), trzecie uzwojenie jest w stanie obojętnym (prąd ani nie wpływa ani nie wypływa). Moment w silniku jest generowany, ponieważ zachodzi reakcja pomiędzy polem magnetycznym wytworzonym przez zasilane uzwojenia statora i polem magnetycznym wytworzonym przez zasilane uzwojenia statora i polem magnetycznym magnesów trwałych.

Idealny moment w szczycie jest generowany w chwili, kiedy te dwa pola magnetyczne są umieszczone względem siebie pod kątem prostym. Aby silnik był wprawiony w ciągły ruch, pola magnetyczne generowane przez uzwojenia powinny być przesunięte w taki sposób, aby przy ruchu rotora jego pole magnetyczne „złapało” pole magnetyczne statora. Metoda ta jest nazywana sześciokrokową komutacją definiującą sekwencję zasilania uzwojeń.

Aplikacje, w których silnik z określoną częstotliwością startuje i hamuje oraz zmienia kierunek wirowania rotora, wymagają wyższego momentu niż znamionowy. Można zatem chwilowo przeciążać oś wyjściową wymagając od napędu wyższego momentu. Moment znamionowy musi jednak zawierać się w odpowiednich granicach, które wynikają z charakterystyki momentowej.

Napędy BLDC w porównaniu z silnikami szczotkowymi DC i indukcyjnymi AC

Napędy BLDC różnią się pod wieloma względami od silników szczotkowych prądu stałego i silników indukcyjnych. Bezszczotkowe napędy elektryczne wymagają mniej czynności konserwujących niż DC, co przedłuża ich żywotność. Urządzenia BLDC mają większy współczynnik produkowanej mocy w stosunku do wagi niż ich odpowiedniki szczotkowe i indukcyjne. Ponieważ ich rotor jest wykonany z magnesów trwałych (ze stopów ziem rzadkich), moment bezwładności rotora jest niższy. Poprawia to charakterystykę akceleracji i deceleracji – skraca cykl tych operacji. Ich liniowa charakterystyka momentowa powoduje przewidywalną regulację prędkości.

W napędach bezszczotkowych kontrola szczotek jest wyeliminowana, co pozwala na stosowanie urządzeń w strzeżonych strefach i aplikacjach, gdzie jest mało miejsca, co utrudnia serwis. Modele niskonapięciowe mogą być wykorzystywane w maszynach zasilanych bateryjnie. Można je więc stosować w urządzeniach przenośnych, sprzęcie medycznym.

Cecha Silnik BLDC Szczotkowy linik DC
Komutacja elektroniczna komutacja oparta o pozycję odczytywaną z czujników Halla komutacja szczotkowa
 Konserwacja  niewielka, spowodowana brakiem szczotek  wymagana konserwacja periodyczna
 Żywotność  dłuższa  krótsza
 Charakterystyka momentowa  spłaszczona - dopuszczalne operacje na całym zakresie prędkości ze znamionowym obciążeniem  spłaszczona w pewnym zakresie - przy wyższych prędkościach tarcie szczotek rośnie, zatem redukuje się użyteczny moment
 Sprawność  wysoka - nie ma spadku napięcia na szczotkach  różna w różnych zakresach
 Współczynnik mocy wyjściowej w stosunku do rozmiarów  wysoki - zredukowany rozmiar z powodu lepszej charakterystyki termicznej; ponieważ silniki BLDC maja na statorze połączone uzwojenia, rozproszenie ciepła jest lepsze  niski - produkowane cieplo jest większe i wydziela się w postaci energii termicznej
 Bezwładność rotora  niska, ponieważ zawiera magnesy trwałe ze stopów ziem rzadkich, co powoduje dużą dynamikę rozpoznawania  wyższa bezwładność rotora, co ogranicza dynamikę charakterystyki
 Zakres prędkości  wyższy - nie ma ograniczeń mechanicznych spowodowanych przez szczotki /komutator  niższy - mechaniczne ograniczenia przez szczotki
 Poziom generowanych szumów elektrycznych  niski  wysoki
 Koszty budowy  wyższe - użycie wysokiej klasy magnesów podności koszty  niskie
 Sterowanie  kompleksowe i drogie  proste i tanie
 Zalecenia dotyczące sterowania  wymagany jest sterownik, aby silnik był czas w ruchu; ten sam sterownik może być użyty do kontroli prędkości  dla stałej prędkości nie jest wymagany sterownik, jest on konieczny jedynie dla jej regulowania
Porównanie silników BLDC ze szczotkowymi napędami prądu stałego

 Zasady sterowania

Każde 60 stopni elektrycznych obrotu rotora powoduje zmianę stanu logicznego czujnika Halla. Biorąc to pod  uwagę, pełen cykl elektryczny zawiera sześć kroków. Synchronicznie, co każde 60 stopni powinno nastąpić przełączenie fazy. Jednak pełen cykl elektryczny nie musi odpowiadać pełnemu obrotowi rotora. Ilość powtórzeń cykli elektrycznych, aby uzyskać pełen obrót mechaniczny, jest określana przez liczbę par biegunów rotora. Dla każdej pary biegunów dokonuje się jeden pełny cykl elektryczny.

Dla regulacji prędkości obrotowej, w przypadkach kiedy nie jest wymagana duża rozdzielczość, jako sprzężenie zwrotne można użyć sygnałów generowanych przez czujniki Halla. W przypadku kiedy konieczna jest wysoka rozdzielczość regulacji prędkości, jako sprzężenie zwrotne należy użyć przetwornika optoelektrycznego, który posiada dwa kanały wyjściowe przesunięte w fazie między sobą i generuje fale prostokątne.

Silniki Dunkermotoren z łącznością CAN

Firma Dunkermotoren posiada w swojej ofercie silniki małych mocy, zarówno prądu stałego (komutatorowe i bezszczotkowe), jak i prądu przemiennego. Produkuje również silniki żaluzjowe prądu przemiennego z przekładniami. Charakterystyczną cechą ich konstrukcji jest modularność. Silniki mogą być wyposażone w przekładnie planetarne oraz ślimakowe, przetworniki obrotowo – impulsowe – inkrementalne oraz kodowe i tachoprądnice. Producent oferuje także odpowiednie systemy sterowania. Wzmacniacze sterujące można dobrać w postaci zintegrowanej jak i zewnętrznej – w zalezności od możliwości i wymagań danej aplikacji. Pierwszy silnik bezszczotkowy prądu stałego ze zintegrowanym kontrolerem firma wypuściła na rynek w 2005 roku.

Silnik BG65 x 50CI
(kliknij aby powiekszyć)

Mógł on pracować w sieci jako Master zarządzający innymi obiektami znajdującymi się w tej samej pajęczynie. Dzięki temu możliwe było pominięcie stosunkowo kosztownych sterowników PLC, które wcześniej były konieczne w przypadku zarządzania parametrami ruchu takich aplikacji.. Silniki BLDC z łącznością CAN firmy  Dunkermotoren dostępne są w zakresach mocy od 20 W do 440 W oraz z momentami znamionowymi od 6 Ncm do 120 Ncm. Napędy mogą być wyposażone w inkrementalne przetworniki obrotowo – impulsowe z serii RE30 lub też hamulce z serii E90R. Silniki mają zintegrowaną elektronikę sterującą, umozliwijącą komunikację po magistrali CAN.

Poprzez zintegrowany sterownik oraz umieszczone w silniku czujniki pozycjonujące rotor, system napędowy może pracować „samodzielnie”. Najważniejsze parametry ruchu, takie jak pozycja, prędkość i składowe przyspieszenia mogą być zmieniane w locie poprzez interfejs CAN. Poza łożyskami kulkowymi napędy BLDC nie posiadają zużywających się części. W związku z tym mogą być stosowane w aplikacjach, gdzie konieczna jest długotrwała, ciągła praca.

Silniki komutatorowe osiągają żywotność w granicach 3 – 4 tysięcy godzin ciągłej pracy. W przypadku silników komutowanych elektronicznie wartości te osiągają 30 -40 tysięcy godzin. Na zamówienie silniki BLDC Dunkermotoren mogą być kombinowane z przekładniami planetarnymi lub ślimakowymi w szerokim zakresie przełożeń.

Starter Kit

W zestawie z silnikiem dostarczanym przez Dunkermotoren znajduje się Starter Kit, składający się z płyty CD z oprogramowaniem mPLC, umożliwiającym pisanie programów dla sieci silników. Silnik może być używany jako pojedynczy i samodzielny układ wykonawczy – oprogramowanie jest wtedy napisane dla jednego napędu.

Dla sterowania silnika poprzez komputer osobisty zalecane jest używanie Starter Kitu z adapterem CAN. Musi on być połączony oporze port USB. Stworzenie sieci silników wymaga połączenia ich między sobą przy użyciu przewodu oraz złącza zwanego T – konektor. Połączenie PC z pierwszym silnikiem jest zrealizowane przez jedno wejście wspomnianego złącza. Dalej z tego samego elementu wyprowadzony jest przewód, który wchodzi do wejścia następnego obiektu w sieci. Na końcu sieci należy podłączyć rezystor zabezpieczający, również dostarczany w pakiecie


 Profile ruchu


W serwo – silniku może być przechowywanych tysiąc różnych profili ruchu razem z ich parametrami, taki jak czas akceleracji, prędkość, pozycja docelowa, ip. Wybieranie profilu po odłączeniu od obiektu nadrzędnego odbywa się poprzez odpowiednią kombinację wejść cyfrowych, które są dostępne dla użytkownika. Programy są zapisywane w pamięci mikrokontrolera, który jest mózgiem zintegrowanego z silnikiem sterownika. Podobnie jest podczas pracy silnika w profilu CANopen z możliwością wywołania zaimplementowanego wcześniej programu.

Zdefiniowany wcześniej tryb, który znajduje się w pamięci procesora w regulatorze odbiera komendy wysyłane po magistrali CAN i wykonuje je. Również do tysiąca takich profili ruchu może być zapisanych w kontrolerze sterownika. Profil CANopen umożliwia regulację aktywną sieci poprzez CAN master – nadrzędny obiekt wysyłający komendy po CAN  do poszczególnych obiektów znajdujących się w sieci. W tym przypadku parametry są zmieniane na bieżąco (on-line).

 

Porównanie silników BLDC z silnikami indukcyjnymi
Cecha Silnik BLDC Silnik indukcyjny AC
Charakterystyka momentowa spłaszczona - dopuszczalne operacje na całym zakresie prędkości ze znamionowym obciążeniem  nieliniowa - niższy moment przy niższej prędkości
 Współczynnik mocy wyjściowej w stosunku do rozmiarów  wysoki - zredukowany rozmiar z powodu lepszej charakterystyki termicznej;ponieważ silniki BLDC mają uzwojenia na statorze, które są połączone, rozproszenie ciepła jest lepsze  niższy niż w BLDC
 Bezwładność rotora  niska, ponieważ silnik zawiera magnesy trwałe ze stopów ziem rzadkich, co powoduje dużą dynamikę rozpoznawania  wyższa - słaba charakterystyka dynamiczna
 Prąd startowy  znamionowy - nie jest wymagany wyższy prąd  około siedem razy większy od znamionowego, zalecane używanie przełącznika gwiazda - trójkąt
 Zalecenia dotyczące sterowania  wymagany sterownik, aby silnik był cały czas w ruchu, ten sam sterownik może być uzyty do kontoli prędkości  dla stałej prędkosci nie jest wymagany sterownik, jest on konieczny jedynie do regulacji prędkosci
 Poślizg  nie ma zjawiska poslizgu między statorem i rotorem  rotor biegnie z niższą częstotliwością niż pole statora, poslizg rośnie wraz ze wzrostem obciążenia silnika

 Zabezpieczenia

Podczas operacji hamowania energia kinetyczna jest magazynowana w okolicach części sterującej, w postaci energii elektrycznej. Tworzy to możliwość powstania wysokich napięć i zaingerowania w elektronikę i elektrykę silnika, co w przypadkach ekstremalnych może doprowadzić do uszkodzenia urządzenia. Aby temu zapobiec, napięcie zasilające powinno być zbuforowane kondensatorem elektrolitycznym o dużej pojemności. Jego wartość dobierana jest według zasady: 1000µF na każdy amper znamionowo pobieranego prądu.
 

wróć do listy artykułów
wróć na stronę główną