מנועים ללא מברשות - BRUSHLESS

2015-07-30 22:24

 מנועים ללא מברשות - BRUSHLESS

 קמי בן שם פלדשו – חזי קורן


מנוע ללא מברשות – BRUSHLESS – אינו מכיל מברשות, טבעות החלקה או קומוטטור מכני , כפי שנדרש במנועי זרם ישר או במנועי זרם חילופין סינכרוניים, בכדי להתחבר לסלילי הרוטור.מספר מנועים תואמים להגדרה בסיסית זו. הפשוט מכולם הוא מנוע זרם חילופין השראתי Ac induction motor.
במנוע זה נוצר שדה מגנטי מסתובב בסטטור, התואם את תדר המקור. הרוטור מסתובב במהירות מעט נמוכה ממהירות סיבוב השדה בסטטור, שכן ליצירת השראה אלקטרומגנטית נדרשת מהירות יחסית או Slip בין הרוטור והשדה המגנטי המסתובב.Slip  זה הופך את המנוע ההשראתי למנוע  אסינכרוני  שפירושו שמהירות סיבוב הרוטור אינה תואמת במדויק את תדר המקור. הזרמים המושרים ברוטור מיצרים כמובן הספק חומני לפי I²R , המחמם את הרוטור ומוריד את נצילות המנוע. התחממות הרוטור משנה את התנגדותו ובהתאמה את המומנט האפקטיבי לאמפר, כך שקשה לווסת את המנוע במערכות הינע מדויקות.
 

מנוע צעד -  Stepper motor -  גם הוא מהווה דוגמא טיפוסית למנוע ללא מברשות. כל ליפופי המנוע נמצאים בסטטור ואילו הרוטור לרוב מורכב ממגנטים קבועים וליבת ברזל רך ליצירת מספר רב של קטבים מגנטיים. המומנט נוצר בעקבות כוחות מגנטיים הנוצרים בין קוטבי הסטטור לקוטבי הרוטור,  לפי סדר קבוע שנקבע בליפופי הסטטור (לרוב שני ליפופים או שני פזות). יתרונו של מנוע הצעד זו יכולתו לפעול בחוג פתוח, או במילים אחרות בקרת מיקום הניתנת ליישום ללא צורך בחיישן או מתמר. מאידך, לקבלת יציבות טובה ומומנט החזק (Holding torque) סביר, מתוכננים מנועי צעד עם פסיעה קטנה, מספר קטבים רב, גיאומטריה מורכבת ומרווח אויר (Air gap) קטן.

מנועי צעד סובלים מתדרים פרמטריים -  Parametric resonance-  המופיעים במהירויות שונות בתחום הפעיל של המנוע וכדי להתגבר עליהם מקובל להוסיף 
"בולמי אינרציה" -  Inertia dampers - או להשתמש במנועי צעד עם מספר פאזות רב כמו 5 ואף 7 פזות. מנועים אלו מאד יקרים ודורשים בקרה מורכבת. למנוע צעד אין קבוע מומנט-  Kt - או קבוע מתח - Kv - אחד ומכאן ששימושו במערכות בקרה ליניאריות מוגבל.

מנוע ללא מברשות זרם ישר עם מגנטים קבועים - או בשמו המקצועי -" PERMANENT MAGNET (P.M) DC BRUSHLESS MOTOR " 
 מנוע זה מתוכנן כמגנט קבוע המסתובב כנגד מערכת ליפופים מוליכי זרם, והינו למעשה היפוך של מנוע זרם ישר מגנט קבוע עם קומוטטור, שבו המגנט
הקבוע    ( P.M.)סטטי ואילו הליפופים מסתובבים. בשני המקרים כיוון הזרם בליפופים -  ומכאן קוטביות הזרם בליפופים - חייב להתחלף בכל פעם שקוטב מגנטי עובר מולם וזאת לקבלת מומנט אחיד ובכיוון אחד בלבד.במנוע DC עם קומוטטור פעולת החלפת הקוטביות, או כיוון הזרם בליפופים, נעשית על ידי הקומוטטור המכני והמברשות. היות והקומוטטור קבוע לרוטור, נקודות החלפת הקוטביות תואמות, מסונכרנות ואוטומטיות בהתאם לקוטביות השדה המגנטי שדרכו הם עוברים. מבחינת הצימוד המגנטי -  Flux linkage -  אין הבדל אם המגנט מסתובב כנגד סליל או הסליל כנגד המגנט. החשיבות הנה בהתאם לחוק פרדיי בשנוי השטף המגנטי לעומת השנוי בזמן.

                                        

במנוע DC ללא מברשות עם מגנטים קבועים פעולת החלפת הקוטביות בליפופים נעשית על ידי מיתוג טרנזיסטורי, מסונכרן עם מיקום הרוטור. כלומר, תהליך הקומוטציה תואם בשני הדגמים והתוצאה מכך הביצועים, המשוואות, היחסים מומנט/מהירות והקבועים,  דומים.

 נרחיב מעט בנושא זה של תאימות בין שני הסוגים. שלוש נוסחאות הבסיס לתיאור מנוע DC הן:

1).        Vt = RIa + L d Ia / dt + Ke W                                  

2). המומנט האלקטרו מגנטי המתפתח = Td  = KT Ia    

3).       Td = TLoad = J dw/ dt + Bw                                


במצב שבו מתאזנת מהירותו של המנוע והמערכות מנוע / עומס יציבות -  Steady state -  מתבטלים רכיבי התאוצה      0= d Ia / dt ,

וכן רכיב השטף   0=L d Ia / dt ומתקבלת נוסחת האיזון הסטטי של המנוע - Vs = RIa +  Ke W                                         

התואמת הן מנוע DC עם קומוטטור והן מנוע DC ללא מברשות עם קומוטציה אלקטרונית.כאשר הזרמים בפזות המנוע הם מהסוג הנ"ל, כלומר,  זרמי DC
המחליפים קוטביות בהתאמה עם מעבר קוטבי המגנט הקבוע S-N  , אנו מכנים  אותו כמנוע עם עירוי גל מרובע או באנגלית Square wave excitation .
המתח הנגדי או כוח האלקטרומניע -  Eg - מתוכנן כך שיהיה בצורה טרפזית. ניתן לומר שמנוע ובקר גל מרובע או טרפזי הם אותו הדבר.


מנוע ללא מברשות זרם חילופין עם מגנטים קבועים - ישנו גם סוג נוסף של מנועים ללא מברשות שמשטר העבודה שלהם שונה לחלוטין. זרמי הפזה הם גל סינוס, והמתח הנוצר במנוע - Eg - גם הוא תואם סינוס. מנוע זה נראה כמנוע DC רגיל אך פועל בעקרון שניתן לכנותו “מנגנון זרמים מסתובבים” -  " Rotating ampere conductor distribution ". במנועים אלו השדה המגנטי מסתובב וכתוצאה מכך מקבלים מנוע סינכרוני מושלם עם שטף מגנטי קבוע.  מנוע זה מכונה מנוע ללא מברשות AC , או בשמו המלא: AC BRUSHLESS SINUS EXCITATION  P.M  MOTOR.


להלן סיכום של סוגי המנועים ללא מברשות, האפיונים והקבועים שלהן :

1. סוגי מנועים ללא מברשות - חלוקה ראשית:

• מנועי AC השראתי מנועים תלת פאזיים.
• מנועי DC מגנט קבוע קומוטציה אלקטרונית.
•  מנועי AC מגנט קבוע פרופיל זרם סינוס.


2. דרישות אידיאליות של מנוע גל מרובע:
       
• פרופיל שדה מגנטי מלבני במרווח האויר AIR GAP.
• שטף מגנטי אחיד ובהתאמה מתח  Eg קבוע לאורך  °90 חשמליות.
• פרופיל זרם מלבני בליפופים.
• ליפופי סטטור מרוכזים קונצנטריים.


דרישות אידיאליות של מנוע מיתוג גל סינוס :

• פרופיל שדה מגנטי סינוס במרווח האויר AIR GAP.
• שטף מגנטי משתנה ובהתאמה שינויים במתח Eg.
• פרופיל זרם סינוס בליפופים.
• ליפופי סטטור ועוקבי גל סינוס.


 3. סיכום קבוע המומנט וקבוע המתח לסוגים השונים

 

מנוע AC BRUSHLESS
מיתוג סינוס
3 פאזות 

מנוע DC BRUSHLESS
מיתוג מרובע
3 פאזות 

מנוע DC 

קבוע

T/iL

T/iL 

T/I

 Kt , Nm/A

eLL/Wm

eLL/Wm

E/Wm

Ke , Vs/Rad

√3 /2

1

1

Kt/Ke

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

מקורות

IEEE MAGNETIC SOCIETS

NASA TECH PUBLICATION ISSUE FOR 2000
MOTION CONTROL.

J.R. Hendershot  Design of BLPM motors
J.F Gieras  P.M motor technology
M.T. Azar  Microactuators
T. Kenjo  Stepping motors and control
D. Jouve  et.al effective current and speed control for P.M machines.

IEEE Survey 1990.

 

קודם

חפש באתר

רחוב הרצל 75 בפסאז', רמת גן. טלפון: 03-6722003 , פקס: 03-6722077

Powered by Webnode

מגנטים לתעשיה | מגנטים ניאודימיום |מנועים קטנים |מנועי צעד |סולנואידים |מנוע זרם ישר |