|
A világ villamosenergia-fogyasztásának közel 45%-át teszik ki csupán a villanymotorok – olvasható a World Energy Council (Világ Energia Tanács) 2013-as kutatási jelentéséből. Ezek az energiára éhes szerkezetek mindennapjaink elengedhetetlen kellékei. Mindenhol előfordulnak a hétköznapokban a lakossági fogyasztóktól kezdve az ipari felhasználásig – legyen szó háztartási gépekről, elektromos autókról és vonatokról, ipari szállításról, vagy az ipari motorral működő tengeri olajfúró tornyokról és gátakról.
Már az ipari forradalom kezdete óta próbálunk időt és emberi munkaerőt, ill. erőfeszítést megtakarítani azzal, hogy minden lehetséges eszközt motormeghajtással látunk el. A villanymeghajtású készülékek jelentősen megkönnyítik mindennapjainkat. Kényelmesebben élhetünk otthonainkban, hatékonyabban és eredményesebben dolgozhatunk, gyorsabban és egyszerűbben utazhatunk. De mi az ára mindennek?
Energiaigényes motorok és a környezet
Modern világunk egyik legnagyobb kihívása, hogy miként tudunk a nem megújuló energiaforrásaink kiaknázásának gátat szabni, miként tudjuk ökológiai lábnyomunkat minimalizálni, hogy egy fenntartható, a környezetet óvó modern, automatizált világban élhessünk, megőrizve természetünk kincseit a jövő generációi számára is. Nem is kérdés, hogy a villanymeghajtású készülékek jelentős fejlesztésen kell, hogy keresztül menjenek mindezek érdekében. Az alternatív, megújuló energiaforrásokat (nap-, szél- és vízenergiát) használó megoldást sürgeti bolygónk évről-évre növekedő népessége is, ill. a fejlődő országok villanymotorok iránti bővülő igénye.
Világszerte igyekeznek a kormányok a törvényhozás segítségével szabályozni és csökkenteni az energiafogyasztást, azonban sajnos úgy tűnik, hogy a törvények nem jelentenek hosszú távú megoldást a problémára. A tudatos fogyasztói magatartás azonban egyre szélesebb körben terjed: legyen szó a kiskereskedelmi vagy az ipari vásárlókról, egyre népszerűbbek a környezetbarát termékek. A megváltozott vásárlói igények befolyásolják a technikai fejlődés folyamatát is. Ma már nem mindegy, hogy milyen eszközök segítségével zajlik egy-egy motor meghajtása.
Miniatűr motorok
Az energiahatékonyság mellett manapság a tervezőmérnököknek azt az elvárást is teljesíteniük kell, hogy a motorok egyre kisebb készülékekhez készülnek. A helytakarékosság iránti igény jelentősen befolyásolja a hajtás- és vezérléstechnikai tervezést. A vevők rögtön lecsapnak egy olyan mosógépre, melynek dobja nagyobb mennyiségű ruhát képes kimosni, ugyanakkor a mosógép mérete nem növekedhet a dob űrtartalmával párhuzamosan. A készüléknek meg kell felelnie a szabványos méreteknek. Ennek következtében a villanymeghajtók méretét kell csökkenteni. Azonban a méret csökkenésével, az elektronikai alkatrészekkel kapcsolatban termikus problémák merülnek fel, további kihívást jelentve ezzel a tervezőmérnökök számára. A hűtőtechnológiák hozzáadása ugyanis növeli a készülékek energiafogyasztását. Így magukat a motorokat kell manapság úgy megtervezni, hogy azok működés közben kevesebb hőt termeljenek.
Hajtás- és vezérléstechnikai tervezés
Motor-vezérlő rendszerek
A fenti ábra egy tipikus motor-vezérlő rendszer elemeit mutatja be. A motor típusától, az alkalmazási területtől, illetve a vezérlés szintjétől függően érzékelő rendszer használata is szükséges lehet egy meghajtási folyamatban.
Vezérlő - Jellemzően egy mikrokontroller vagy egy DSP (digitális jelfeldolgozó) a vezérlő, amely az iránnyal, a sebességgel és a nyomatékkal kapcsolatban küld utasításokat, általában PWM (impulzus-szélesség modulált) jeleket a motor meghajtásához. A vezérlő általában egy szenzor segítségével visszajelzéseket is kap a motor jelenlegi helyzetéről, hogy még pontosabb utasításokat adhasson, elkerülve ezzel az esetleges hibákat.
Meghajtó - Sokszor több meghajtó szükséges ahhoz, hogy megfelelően erős jeleket állítson elő a vezérlő, elegendő áramot juttatva ezzel a motornak.
Érzékelők - Általában egy söntöt vagy egy Hall-effektus-érzékelőt használnak ahhoz, hogy a tényleges áramerősség mérhető legyen, és erről visszajelzést lehessen küldeni a vezérlőnek. Emellett a motor aktuális helyzetéről is érkezhetnek a meghajtó-rendszeren belül visszajelzések, melyeket szintén egy Hall-effektus-érzékelővel vagy egy induktív jeladóval továbbítanak. Ezek az értesítések hozzájárulnak egy pontosabb zárt hurkos vezérlői rendszerhez, melyben a vezérlő a visszaérkező jelek segítségével precízebb parancsokat küld a motornak.
Szűrők - Szűrőket általában azért építenek be egy meghajtás-technikai rendszer számos pontjába, hogy elnyomják velük az EMI-t, azaz az elektromágneses interferenciát generáló forrásokat. Az ilyen szűrők közé tartoznak a ferrit magok és az induktorok.
Leválasztó kapcsoló - A galvanikus leválasztás segítségével a motor-vezérlő, amely érzékeny lehet a különböző tranziens jelenségekre, elválasztható és izolálható a meghajtási-rendszer többi részétől.
Nyitott- és zárt hurkos motorok
A nyitott hurkos rendszerek legfőbb jellemzője, hogy nem tartalmaznak semmilyen érzékelőt. Csupán a motor sebessége szabályozott, amely különböző terhelési feltételek szerint állítható be.
A zárt hurkos rendszer ezzel szemben már tartalmaz érzékelőt is, amely visszajelzést küld a vezérlőnek, ezzel szabályozva a bemeneti fokozatot. Tehát ha a sebességet kell szabályozni, mert a terhelési körülmények változtak, akkor a vezérlő visszaállítja a sebességet a beállítási pontra: jó példa erre, egy teleszkópra szerelt pozícionáló motor, amely folyamatosan újraszabályozza önmagát, követve a változó koordinátákat.
BLDC (kefe nélküli egyenáramú) motorok
Elvir Kahrimanovic, senior alkalmazás-rendszermérnök - Infineon.
Az akkumulátoros szerszámgépektől az ipari automatizálásig vagy az elektromos bicikliktől a távirányítású drónokig, egyre több mozgásvezérlő alkalmazásba építenek kefe nélküli DC (BLDC) motorokat. A BLDC megoldások bonyolultabb meghajtó elektronikát igényelnek, mint a kefés alternatívák, de ezek a motorok számos működési előnyt kínálnak, melyek révén nagyobb hatékonyságot és teljesítményt nyújtanak. Ez lehetővé teszi, hogy kisebb, könnyebb és olcsóbb motorokat lehessen alkalmazni. Ugyanakkor, kisebb a mechanikai kopás, ami magasabb megbízhatóságot, hosszabb élettartamot biztosít és kevesebb karbantartást igényel, valamint a BLDC motorok további előnye, hogy sokkal halkabbak a kefével rendelkező társaiknál.
Gyakran nevezik elektronikus kommutációjú motornak (ECM) is. Egy tipikus BLDC motor egy háromfázisú állórészből (sztátor) és egy forgórészből (rotor) áll. Az állórészen vannak a tekercsek és a forgórészen helyezkednek el az állandó mágnesek, melyek forognak. A rotor forgatásához forgó mágneses tér szükséges, melyet a sztátor gerjesztésével, a sztátoron fellépő áramok nagyságának és irányának változtatásával lehet elérni. Ezt nevezik kommutációnak, innen ered az elektronikus kommutációjú motor elnevezés.
Egy BLDC alkalmazás tervezésekor a mérnökök választhatnak a diszkrét komponensek vagy integrált félvezetők használata között, melyek segítségével összehozzák számos fontos hajtás- és vezérléstechnikai funkciókat egyetlen eszközben.
Ha Ön mélyrehatóbb információkat szeretne kapni a MOSFET teljesítményveszteségről, a trapéz-kommutációról vagy például a BLDC motor tervezésről látogasson el DesignSpark oldalunkra és ismerje meg az Infineon hivatalos kiadványát.
BLDC motorok és kiegészítő termékek
Egy kompaktabb, megbízhatóbb és hatékonyabb motor-meghajtó építéséhez integrált tápmodul használata ajánlott az ON Semiconductortól.
Gyártó: Microchip
A témához kapcsolódó márkák
Hajtás- és vezérléstechnikai érdekességek
Motortípusok
A villanymotorok mágnesességet használnak a mozgás létrehozásához. Két fő kategóriába oszthatók: ezek az AC, azaz a váltóáramú és a DC, azaz az egyenáramú motorok.
A DC, azaz az egyenáramú motor az első találmányok közé tartozik a meghajtási technológia területén, és a mai napig az egyik legegyszerűbb motortípusok egyike. Villamos energiát alakít mechanikai energiává, úgy hogy a motort egy mágneses mezőbe helyezett konduktor hajtja meg, melybe a vezérlő áramot irányít ezzel forgónyomatékot létrehozva. A DC motorok közül létezik kefés és kefe nélküli egyenáramú motor (BLDC).
A kefe nélküli motorok elektronikusan vezérelt kommutációs rendszerrel rendelkeznek, a kefés mechanikus kommutáció helyett. Ez azt jelenti, hogy míg a kefés motorokban a kefék generálnak elektromos áramot a villamos érzékelőkkel történő mechanikai kapcsolatnak köszönhetően, addig egy kefe nélküli DC motorban állandómágnesek mozognak a motor körül. Emiatt az ilyen motorokban nincs szükség sem kefére, sem kommutátorokra vagy csatlakozókra.
A kefés motorok egyszerűek és olcsóbbak, azonban rendszeres karbantartást igényelnek, mert a keféket sűrűn kell tisztítani és cserélni. A kefe nélküli motorok ezzel szemben szinte alig igényelnek karbantartást, és olyan alkalmazásokhoz kitűnőek, melyek ellenőrzött elhelyezést igényelnek. Ez az előnyük az árban is meglátszik, hiszen a kefe nélküli motorok gyártása költséges, és egy motor-vezérlőt is be kell szerezni melléjük, mely legalább ugyanannyiba kerül, mint a motor maga.
Az AC, azaz a váltóáramú motorok szintén több típusba sorolhatók. Ezek az indukciós (aszinkron) motorok, a szinkron motorok, ill. a kevésbé elterjedtebb lineáris AC motorok.
Az AC motorok két fő részből állnak: a motor külső része a sztátor – azaz a motor helyhez kötött, álló része -, amely váltó áramos tekercsekből áll, forgó mágneses mezőt generálva. A motor belsejében található a forgórész, azaz a rotor, amely egy tengelyhez kapcsolódik, és egy másik mágneses mezőt generál.
A lineáris motorok hasonlóan működnek, mint a forgó résszel ellátott motorok, de az álló és forgó mágneses egységek egymáshoz sorba fűzve, egy vonalban helyezkednek el. A forgás helyett lineáris mozgást létrehozva ezzel. Egyszerűen megfogalmazva a lineáris motort a forgórészes motorok kiterített változataként is lehet értelmezni.
Az indukciós (aszinkron) motorokat azért nevezzük így, mert a nyomatékot egy forgó elektromágneses indukció hozza létre. Ezeket a motorokat köznyelven kalickás forgórészű motoroknak is nevezik.
A szinkron motorok abban különböznek az indukciós motoroktól, hogy a hálózati frekvenciával tökéletes szinkronban működnek. Az aszinkron motorok az indukciós árammal mágneses mezőt állítanak elő, és némi, enyhe fordulatszámmal működnek az áram indukálásához.
Mire érdemes odafigyelni a megfelelő motor kiválasztásánál?
A motor kiválasztásánál az alábbi tényezőket érdemes figyelembe venni:
| Sebesség: | Milyen sebességgel kell egy motort futtatni? A motor sebessége határozza meg a szükséges fordulatszámot és a vezérlés típusát. Mennyi felfutási időre van szüksége? |
|---|---|
| Nyomaték: | Másnéven forgatónyomaték, mértékegysége Nm (Newton méter) |
| Integrált hajtómű: | Az integrált hajtóművek csökkentik a sebességet és növelik a nyomatékot. |
| Névleges teljesítmény: | Milyen névleges teljesítményre van szüksége normál terhelés, teljes és könnyű terhelés esetén? |
| Teljesítmény: | Mértékegysége watt (W) vagy lóerő (LE). Érdemes ezt az értéket normál és túlterhelt működés esetén is figyelembe venni. |
| Tápellátás: | Mindig ellenőrizze az áramellátási követelményeket: a feszültséget, az áramot és a speciális vezérlőket. |
| Mechanikus konfiguráció: | A motor mérete, kiterjedése szabja meg annak használhatóságát, alkalmazási területét. A teljes motor méret, a tengely mérete, ill. a motor súlya és a rögzítési pontok fontos információk a megfelelő motor kiválasztásához. |
Kapcsolódó linkek
- AC hajtóműves motorok
- AC motorok
- DC hajtóműves motorok
- DC motorok
- Ferritmagok
- IGBT tranzisztorok
- IGBT tranzisztormodulok
- Induktorok
- Motormeghajtó IC-k
- MOSFET teljesítménymeghajtók
- MOSFET tranzisztorok
- Panelbe építhető állandó ellenállások (sönt)
- Passzív szűrők
- Tápcsatlakozók
- Processzor és mikrovezérlő fejlesztőkészletek
- Egyenirányító és Schottky diódák
- Érzékelő kapcsolók
