Kefe nélküli egyenáramú motor
A kefe nélküli egyenáramú motor (BLDC) vagy elektronikus kommutációjú egyenáramú motor (ECDC) egy szinkron villanymotor, egyenáramú táplálással (DC), ami elektronikusan vezérelt kommutációs rendszerrel rendelkezik a kefés mechanikus kommutáció helyett. Az ilyen motorokban az áram és a nyomaték, a feszültség és a fordulatszám egyenesen arányos.
A hagyományos (kefés) egyenáramú motorban a kefék létesítenek mechanikai kapcsolatot a forgórészen lévő villamos érintkezőkkel (ezt hívják kommutátornak), így elektromos áramkört létrehozva az egyenfeszültségű forrás és az armatúra tekercselése között. Miközben az armatúra forog a tengelye körül, a mozdulatlan kefék kapcsolatba kerülnek a forgó kommutátor különböző részeivel. A kommutátor és kefe rendszer villamos kapcsolók sorozatát alkotják, mindegyik sorrendben kapcsol úgy, hogy az áram mindig az állórészhez (állandómágnes) legközelebb lévő armatúratekercsen folyik keresztül; biztosítva azt, hogy a mágneses kölcsönhatás (forgó mágneses mező) mindig a megfelelő tekercs(ek) illetve a mágnes és a forgórész tekercsei között alakuljon ki.
Egy BLDC motorban a tekercsek (elektromágnesek) nem mozognak; helyettük az állandómágnesek forognak és az armatúra marad nyugvó. A kefe-kommutátor rendszert felváltja egy elektronikus vezérlő. A vezérlő hasonlóan osztja el az áramot, mint az egyenáramú kefés motornál történik, de ez egy félvezetős áramkör a kefe-kommutátor rendszer helyett.
Összehasonlítás az egyenáramú kefés motorral
[szerkesztés]
A BLDC motorok számos előnnyel rendelkeznek a kefés egyenáramú motorokhoz képest, olyanokkal, mint a jobb hatékonyság és megbízhatóság, kisebb zaj, hosszabb élettartam (nincs kefe, ami elkopjon), nem keletkeznek szikrák a kommutátornál és kisebb az elektromágneses interferencia (EMI). Mivel a forgórészen nincs centrifugális erők hatásának kitett huzalozás, és mivel a tekercsek a motorházhoz vannak rögzítve, vagyis hővezetéssel tudják leadni a keletkezett hőt, így nincs szükség légáramra a motor belsejében hűtés céljából. Ez azt jelenti, hogy a motor belseje teljesen zárt lehet, így védve marad a szennyeződésektől. A BLDC motoroknál elérhető legnagyobb teljesítmény rendkívül magas, szinte kizárólag a melegedés korlátozza, ami a mágnesekben kárt tehet. A BLDC hátránya a magasabb költség, aminek két oka van. Az első az, hogy a BLDC motoroknak összetett elektronikus sebességvezérlőre van szükségük a működéshez. A kefés egyenáramú motorokat egész egyszerű vezérléssel lehet működtetni, ilyen például a reosztát. A második ok, hogy több hasznos alkalmazásra még nincs kifejlesztett megoldás a kereskedelmi szektorban. Például a távirányítós hobbisták által használt, kereskedelmi forgalomban kapható BLDC motorok kézzel tekercseltek, míg a kefés motorok armatúratekercseit olcsóbban, tekercselőgéppel csévélik. A működés elvéből következik, hogy az egyenáramú soros motor mintájára soros BLDC motor nem készíthető.
A BLDC motorok sokkal hatékonyabban alakítják át az elektromosságot mechanikai erővé, mint a kefés egyenáramú motorok. Ez főleg annak köszönhető, hogy a kefék hiánya miatt mentesek az elektromos és súrlódási veszteségektől. A nagyobb hatékonyság a terhelésmentes és kis terhelésű tartományokban érzékelhető leginkább. Nagy terhelésnél a BLDC motorok és a jó minőségű szénkefés egyenáramú motorok hasonló hatékonyságúak.
A vezérlés fejlődése
[szerkesztés]Mivel a vezérlőnek kell irányítania a forgást, szüksége van a forgórész állására, valamint az állórész tekercseihez képesti helyzetére vonatkozó információra. Néhány kivitelnél Hall-jeladókat (ld. Hall-effektus) vagy forgás jeladót használnak, amivel közvetlenül lehet mérni a forgórész helyzetét. A Hall-elemeket gépkocsik gyújtóberendezéseinek vezérléséhez is felhasználják. Általában a gépkocsikban mint jeladót használják, többnyire fordulatszámmal összefüggő jelek előállítására. Jelerősítővel egybeépítve egy egységet képez mint „Hall-jeladó". Más esetekben a visszaható elektromotoros erőt mérik a használaton kívüli tekercsekben, hogy következtetni tudjanak a forgórész helyzetére, így nincs szükség külön Hall-jeladókra, ezeket gyakran érzékelő nélküli vezérlőknek hívják. Ahogy egy váltakozó áramú motornál, a használaton kívüli tekercseken mérhető feszültség szinuszos, de a kommutáció közben a kimenetek trapéz alakúak, a vezérlő egyenáramú kimenete miatt.
A vezérlő három darab kétirányú meghajtóval rendelkezik, amivel a nagy teljesítményigény kiszolgálható, és amit egy logikai áramkör vezérel. Az egyszerű vezérlőkben komparátorokat használnak, amivel meghatározzák a kimenetnek előnyös fázist, míg a fejlettebb vezérlőknél mikrovezérlőt alkalmaznak, amivel a gyorsulást, a vezérlés sebességét és hatékonyságot lehet javítani. Azok a vezérlők, amelyek a visszaható elektromotoros erő alapján érzékelik a forgórész helyzetét, több feladatot kell, hogy végrehajtsanak a mozgás elindításához, mivel ilyenkor még nincs visszaható elektromotoros erő, mely nem jön létre álló forgórész esetében. Ezt általában úgy valósítják meg, hogy a forgás tetszőleges fázison indul meg, és ha az nem megfelelő, akkor átugrik egy másik fázisra. Ez azt okozhatja, hogy motor rövid ideig visszafele forog, tovább bonyolítva az indítási folyamatot.
Különböző kivitelek
[szerkesztés]
A BLDC motorok különböző fizikai kivitelezésekben készülhetnek: A „hagyományos” belső forgórészű („inrunner”) kivitelnél az állandó mágnesek a forgó armatúrára vannak szerelve (rotor). Három állórész tekercs veszi körül a forgórészt. Az „outrunner” külső forgórészű kivitelnél fordított a sugárirányú kapcsolat a tekercsek és a mágnesek között; az állórész tekercsei alkotják a motor közepét (magját), míg az állandó mágnesek egy fölé lógó rotoron forognak, ami körülveszi a magot. Lapos típust használnak ott, ahol korlátozott a rendelkezésre álló hely, állórész és forgórész tányérokat használ egymással szembe fordítva. Az outrunner típusoknak általában több pólusa van, hármasával elrendezve, amivel biztosítják a tekercsek hármas csoportját, és alacsony fordulatszámon nagyobb lehet a forgatónyomaték. Az állórész tekercsei minden BLDC motornál rögzítettek.
Még két villamos kivitel létezik, ami a tekercsek huzalozásának egymással való összeköttetésében különbözik (nem a fizikai alakjukban vagy elhelyezkedésében). A háromszög kapcsolású kivitelnél a három tekercs egymáshoz van kapcsolva (sorosan), és minden csatlakozási ponton táplálva van. Ez a háromfázisú delta kapcsolás. A csillag kivitelnél minden tekercs egy középső közös pontba csatlakozik (párhuzamosan), és a táplálást minden tekercs szabad végén oldják meg.
A háromszög kivitelű tekercselésnél alacsony a forgatónyomaték alacsony fordulatszámon, de magasabb lehet a legnagyobb fordulatszám. Csillag kivitelnél magas a forgatónyomaték alacsony fordulatszámon is, de nem olyan magas a legnagyobb fordulatszám. [1]
Bár a hatékonyságot nagyban befolyásolja a motor felépítése, a csillagkapcsolás általában nagyobb hatékonyságú. A háromszög huzalozásnál káros magas frekvenciás áramok folyhatnak végig a motoron. A csillagkapcsolás nem tartalmaz zárt hurkot, amiben káros áram folyhatna, így nem jelentkeznek ilyen veszteségek.
A vezérlő szempontjából a két kivitel kezelése egyforma, bár az olcsóbb vezérlők a csillagkapcsolás közös csatlakozási pontjáról olvassák a feszültséget.
Felhasználás
[szerkesztés]A BLDC motorok minden olyan területen alkalmazhatók, ahol a kefés egyenáramú motorok. A magasabb költségek és a vezérlés összetettsége miatt BLDC motorok nem helyettesítik a kefés egyenáramú motorokat az általános felhasználási területeken. Mindazonáltal a BLDC motorok több területen uralkodóvá váltak: számítógépes merevlemezekben, CD/DVD lejátszóknál és PC-s hűtőventilátoroknál szinte kizárólag BLDC motorokat használnak. Kis sebességű, kis teljesítményű elektronikus kommutációjú egyenáramú motorokat használnak a közvetlen hajtású lemezjátszóknál is. Nagy teljesítményű BLDC motorok villamos járművekben találhatóak, és néhány ipari gépben. Ezek a motorok lényegében váltakozó áramú szinkronmotorok, állandó mágneses forgórésszel.
A villamos hibrid járművek, mint a Toyota Prius vagy a Honda autói, BLDC motorokat használnak, hogy kiegészítsék a belső égésű motort. Arra is használják, hogy beindítsák a motort, a hagyományos önindítós és behúzómágneses eljárás helyett.
A Segway Scooter és a Vectrix Maxi-Scooter is BLDC technológiát használ.
Számos elektromos kerékpár BLDC motort használ, amit gyakran a kerékagyba építenek, az állórészt szilárdan a tengelyhez rögzítve, a mágnesek együtt forognak a kerékkel. A kerékpár kerékagya maga a motor. Ez a fajta általános váltóval is fel van szerelve, pedálokkal, fogaskerekekkel és lánccal, így lehet tekerni a motor használatával vagy, ha szükséges, nélküle. [forrás?]
Bizonyos légkondicionáló rendszerek, főleg amelyek változó sebességűek és/vagy terhelésűek, elektronikus kommutációjú, kefe nélküli egyenáramú motort használnak. A BLDC-k jobb hatékonysága mellett a motorok beépített mikroprocesszora lehetővé teszi a programozhatóságot, a légáram jobb befolyásolhatóságát, és soros kommunikációt.
Egyenáramú és váltakozóáramú tápegységek
[szerkesztés]- Egyenáramú motor: egyenáram az álló- és forgórészben
- Szinkron motor: egyenáram az egyikben, váltakozó áram a másikban (azaz a forgó- vagy állórészben)
- Indukciós motor: váltakozó áram az álló- és a forgórészben is
Bár a BLDC motorok gyakorlatilag azonosak az állandó mágnesű váltakozó áramú motorokkal, a vezérlő az amitől egyenárammal működnek. Míg a váltakozó áramú motorok szinuszos táplálást kapnak egyszerre minden tekercsen (egyenlő fázis elosztással), az egyenáramú vezérlők csak megközelítik ezt, a teljes pozitív vagy teljes negatív feszültség kapcsolásával, egyszerre két tekercsen. A legnagyobb előnye ennek az, hogy a vezérlő és az elemek/telepek is egyenáramúak, mint a számítógépek és a villanyautók.
A vektor meghajtók olyan egyenáramú vezérlők, amik egy külön lépésben váltakozó áramot alakítanak a motor számára. Az egyenáram-váltakozóáram átalakító áramkör drága, és kevésbé hatékony, de nagyon alacsony fordulatszámon is sima járásúak, és teljesen meg tudnak állni egy bizonyos állásban, még akkor is, ha az nem igazodik a pólusokhoz. Az ilyen motorokat gyakran váltakozó áramúnak tekintik.
A sebességtényező (kv)
[szerkesztés]A kefe nélküli motorok sebességtényezője (kv) a motor üresjárati fordulatszámának a feszültségtől való függését adja meg, fordulat/percet jelent voltonként. Például egy kv = 5000 sebességtényezőjű motor 11,1 voltos táplálással 55 500 fordulat/perc névleges fordulatszámmal forog. Lenz törvénye szerint a forgó motor a forgási sebességgel arányos visszaható elektromotoros erőt hoz létre; a motor addig gyorsul, amíg ez egyenlővé nem válik a tápfeszültséggel, ekkor egyensúlyi állapot jön létre.
Modellrepülők
[szerkesztés]A BLDC motorok (gyakran egyszerűen csak kefe nélküli (BL) motorok) a legnépszerűbbek a modell repülő iparban. A kiemelkedő teljesítmény/tömeg aránynak és a széles méretválasztéknak - ami 5 grammtól több ezer grammig terjed - köszönhetően forradalmasították a távirányítós gépek piacát.
Bevezetésükkel megváltoztak a teljesítmények az elektromos repülőgépmodelleknél, kiváltva a legtöbb kefés és belső égésű motort. A korszerű akkumulátorok jó teljesítmény-tömeg aránya és a kefe nélküli motorok lehetővé teszik a függőleges emelkedést is, a fokozatos emelkedés helyett.