Prof. Ing. Valria Hrabovcov PhD

Vvoj a sasn stav elektrickch strojov (ES)Nov trendy vo vvoji elektrickch strojov s ovplyvnen objavmi v oblasti:Vkonovej elektronikySupravodivch materilovPermanentnch magnetov

Objavy prvkov vkonovej elektroniky1948 tranzistor prv elektronick revolcia1956 tyristor druh elektronick revolciaModern ra informanch technolgi (umonili rozrenie psobenie elektrickch strojov v aplikcich ktor neboli mon pri napjan U=kont., f=kont.)Dnes existuj stroje, ktor bez polovodiovch meniov nie s schopn prevdzky (BLDC, SRM, krokov motor, PMSM,...)

Vlastnosti permanentnch magnetov (PM)Charakteristick veliiny:Maximlny energetick sin BHmaxRemanentn magnetick indukcia BrKoercitvna sila HcTvar BH charakteristiky v II. kvadrante

Vvoj BHmax materilov PM

Idelna BH charakteristika PM

Feromagnetick materily

BH charakteristiky PM materilov

Charakteristick veliiny PM materilov (2013)

BHmax (kJm-3)Br (T)Hc (kAm-1)NdFeB220 - 5000.97 - 1.45740 - 1000SmCo120 - 2400.85 - 1.1620 - 840Ferit7 - 420.2 -0.48120 - 360Alnico10 - 350.6 1.1640 - 120

Vvoj bezkefovch motorov

Monosti uloenia PMSPM (Surface Permanent Magnet)- na povrchu rotora uloen PMIPM ((Interior Permanent Magnet)- vo vntri rotora uloen PM

1. riadok: Klasick elektrick stroje- charakteristikaVytvraj kontantn hladk moment bez zvlnenia (resp. s malm zvlnenm )Pracuj na istej jednosmernej alebo striedavej snusovej sietiMu sa rozbehn po pripojen na tto jednosmern alebo striedav snusov sie a pracova na nej bez elektronickho regultoraS schopn spolupracova s elektronickmi regultormi aby sa ich rchlos mohla vhodne regulova

1. stpec: Vvoj jednosmernch motorovDruh riadokBudiace vinutie nahraden PM na statoreRotor ostva bez zmeny- komuttor + kefy

Tret riadokInverzn kontrukcia t.j. budenie PM na rotore, cievky kotvy na statore napojen na elektronick komuttor bezkefov jednosmern motor s PM (BLDC)

2. stpec: Vvoj synchrnnych motorovDruh riadokBudiace vinutie nahraden PM na rotore- nepotrebuje kefy (bezkefov synchrnny motor s permanentnmi magnetmi - PMSM)Stator ostva bez zmeny

Tret riadokSynchrnny motor s vyjadrenmi plmi bez budenia t.j. reluktann synchrnny motor

3. stpec: Asynchrnny motorPrv riadokRotor s klietkou nakrtko resp. s vinutou kotvou

Tret riadokKrokov alebo spnan reluktann motor- nov genercia elektrickch strojov, ktor pracuje len s polovodiovmi menimi

Princp innosti bezkefovch jednosmernch motorov BLDC Spna kefa lamela nahradi polovodiovmi prvkami Poui najmen mon poet cievok kotvy t.j. tri Stator m trojfzov vinutie

Druhy vinut kotvy-drkov a bezdrkov1) Rozloen 3f vinutiedlhie el vinutiarozptie cievky rovn plovmu rozstupuhlad priebeh Uimenie zvlnenie momentu(cogging torque, ripple torque) zloitejia vroba

q - cel sloq zlomok- zlomkov vinutie2) Koncentrovan (sstreden) 3f vinutiekratie el vinutiarozptie cievky rovn zubovmu rozstupuvy obsah harmonickch zloiek v Uivyie zvlnenie momentu(cogging torque, ripple torque) jednoduchia vroba- vemi asto vyuvan v BLDC

q poet drok na pl a fzuVinutie uloen v drkach

Rozloen vinutie, pohad na detail cievky a bandovan el vinutia

Rozloen vinutie v drkach

Sstreden cievky, detail zuba a cievky

q = 1, Q = 6, m = 3, 2p = 2 Rozloen vinutie, stav naprzdno

q = 1, Q = 6, m = 3, 2p = 2 Sstreden vinutie, stav naprzdno

Vinutie uloen v drkach

Sstreden zlomkov vinutieq = 1/2, Q = 6, m = 3, 2p = 4 jednovrstvovq = 1/2, Q = 6, m = 3, 2p = 4 dvojvrstvov

E-kolobeka s BLDC motoromSstreden zlomkov vinutie statora (Q=12, m= 3, 2p=8, q= 1/2)Rotor s PM na povrchu rotora (2p=8)

E-kolobeka s BLDC motoromUmiestnenie 3 Hallovch sondPrevod medzi rotorom a vonkajm obehovm kolesom

Bezdrkov vinutia1) Jednoduch vroba2)Nevytvra cogging torque, tj. moment spsoben premenlivou magnetickou vodivosou vo vzduchovej medzere kvli drkovaniu statora, alebo rotora, alebo oboch lenov3) Vek efektvna vzduchov medzera4)Upevnenie je dan vlastnosami lepidiel a technologickmi postupmi

Napjanie trojfzovho vinutia kotvy BLDC polovodiovm meniomPolovodiov meni sa sklad z troch vetiev tranzistorov a sptnch did po dvoch v kadej vetve t.j. najjednoduchia kontrukcia s troma fzami potrebuje 6+6 polovodiovch prvkovstredy jednotlivch vetiev s pripojen a fzy vinutia a jednotliv tranzistory s riaden mikropotaom kde je implementovan riadiaci algoritmus 6stupov komutciaTto 6stupov komutcia vyaduje informciu o polohe rotora

Znalos polohy rotora1) Klasick jednosmern motor komuttor + kefy:kefy zabezpeia, e vodi so sprvnym smerom prdu je pod sprvnym magnetickm plom

2) BLDC- potrebn snma polohymonosti riadenia:snmaov (Hallove sondy, fototranzistory)bezsnmaovstratgia spnania tranzistorov polovodiovho meniaspnaj sa vdy len dve fzy t.j. riadi sa len jeden prd spnanie sa uskuton v sprvnom okamiku tak aby sa vytvoril maximlny moment t.j. magnetick tok statorovho poa rotorovho PM s posunut o 90

Stav naprzdno1) Rozloen 3f vinutie

2) Koncentrovan (sstreden) 3f vinutie

Priebehy naptia v jednotlivch fzach pri spnan BLDC spnacie vzory

Polohy rotora pri zaaen vo vzahu k spnacm stavom BLDC

Snmanie polohy pomocou Hallovej sondyPrincp innosti Hallovej sondy

Najjednoduch prpad s jednm vinutm Jedna Hallova sonda nesta potreba viacerch (aspo troch)-pozri 22Z mtvej polohy by sa BLDC nerozbehol

Beznmaov riadenie

fza Afza Bfza Cel []Priebeh indukovanho naptia v jednotlivch fzachBeznmaov riadenie je zaloen na princpe merania prechodu indukovanho naptia nulou lebo sa predpoklad, e vdy jedna fza vinutia motora je odpojen od zdroja (pozri 29)

Zvlnenie momentu BLDCLichobenkov tvar indukovanho naptia Uitakmer obdnikov tvar prdu- okamit zmena prdu nie je mon z toho vyplva zkmit pri kadom okamiku komutcie (spnania) kadch 60, z oho vyplva zvlnenie momentu

UiAUiCIBICIAUiB

Skuton priebeh B a vpoet UiPM

Efektvna hodnota indukovanho naptia 132,5 VSimulovanMeranSkuton priebeh UiPM

Priebeh momentu BLDC1) Ui lichobenkov priebeh, Ia lichobenkov priebeh (pravouhl) M takmer kontanta

2) Ui lichobenkov priebeh, Ia snusov priebeh alebo Ui snusov priebeh, Ia , alebo lichobenkov priebeh M = moment nie je kontantn, je zloen z ast snusovho priebehu a je men

3) Ui snusov priebeh, Ia snusov priebeh M = kontanta (SMPM, RSM, synchrnny)

Zapojenie trojfzovho vinutia do hviezdy vyaduje PM na rozpt 180el.

Zapojenie trojfzovho vinutia do trojuholnka vyaduje PM na rozpt 120el.

innos SMPMRozloenie B je snusov (alebo kvzisnusov) ako v synchrnnych strojoch s klasickm elektromagnetickm budenmB sa docieli tvarom PMSnusov (alebo kvzisnusov) tvar krivky prdu vo vinut kotvyPri kontantnom napt sa docieli metdou IM prdovho menia poda okamitej polohy rotora tak aby pracoval len s prienym poom kotvy, o je vlastne vektorovo riaden synchrnny motor s uzavretou riadiacou slukou od snmaa polohy. Inak povedan, fzov prd sa riadi tak, e statorov a rotorov magnetick polia s na seba kolm ako v klasickch jednosmernch strojochNroky na snma polohy s vysok je potrebn snma polohu rotora o najjemnejie vzhadom na snusov priebeh magnetickho poa B

Vlastnosti BLDC a SMPM

Porovnanie BLDC a SMPMBLDCSMPMbezkefov jednosmern strojsynchrnny strojnapjan jednosmernmi prdminapjan snusovmi prdmilichobenkov tvar indukovanho naptiasnusov tvar indukovanho naptiakomutcia polohy statorovho toku kadch 60svisl zmena polohy statorovho tokuv innosti vdy dve fzy vrovnakom ase- reguluje sa len jeden prd pretekajci dvoma fzamimon ma v innosti tri fzy vrovnakom ase- reguluje sa prd vo vetkch troch fzachzvlnenie momentu pri komutciibez zvlnenia momentu pri komutciinzky rd harmonickch zloiek prdov je v poutenom spektre menej harmonickch zloiek kvli snusovmu budeniuvyie straty v eleze vplyvom obsahu harmonickch zloiekmenie straty v elezemenie spnacie stratyvyie spnacie straty pri rovnakej frekvenciiriadenie je relatvne jednoduchnronejie riadiace techniky, nkladn meni, ktorho cena je pri malch motoroch porovnaten s cenou motora

Zver:Chaos v terminolgii: nzvy BLDC a SMPM sa mieaj dokonca tak, e sa dozviete, e BLDC je SMPM a pod. Km pojmy nie s normalizovan, je na preferencii autorov, ak pojmy bud pouva- nejednoznanos kod porozumeniu problematikyo sa v sasnosti skma: Vplyv tvaru PM a truktry statorovho vinutia na priebeh magnetickej indukcie vo vzduchovej medzere, indukovanho naptia a hlavne zvlnenia momentu Low cost, ie nzko nkladov kontrukcie motorov a vplyv tohto spsobu vroby na vlastnosti BLDC motorov (nekvalitn, nepresn vroba, nekvalitn plechy, excentricita rotora, a pod.)Riadiace techniky- snmaov, bezsnmaov, tak, aby sa dosiahol kontantn moment a nehlun chodFault- tolerant system- bezpen prevdzka odoln poruchmTmy na DP:-Pomocou MKP skma vplyv tvaru PM a druhu vinutia statora na vlastnosti BLDC (vekos momentu, zvlnenie momentu a pod.)-Simulcie ustlench a prechodovch javov BLDCVplyv nzkonkladovch kontrukci na vlastnosti BLDC Riadenie vhodn pre nzkonkladov kontrukcie daj sa riadenm vylepi vlastnosti zhoren kontrukciou stroja? Bezpen prevdzka vyetrovanie vlastnosti BLDC pri poruchch, at.

Literatra na alie tdium:

Literatra

Pyrhnen, J., Jokinen, T., Hrabovcov, V.: Design of Rotating Electrical Machines, John Wiley & Sons, Ltd, second edition, 2013, ISBN: 978-1-118-58157-5

Hrabovcov, V., Rafajdus, P.: Elektrick stroje. Teria aprklady, ilina: EDIS, ilinsk univerzita v iline, 2009, ISBN 978-80-554-0101-0

Hrabovcov, V., Janouek, L., Rafajdus, P., Liko, M.: Modern elektrick stroje, ilina: EDIS, ilinsk univerzita v iline, 2001, 265 s. ISBN 80-7100-809-5

Hrabovcov, V. a kol.: Meranie a modelovanie elektrickch strojov. ilina: EDIS, ilinsk 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, Pouit mikroprocesor pro zen pohon s BLDC motory, Uebn texty ke kurzu, Freescale Semiconductor, 2011

Sekerk, P., Hrabovcov, V., Pyrhnen, 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

***