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MCB-Bregenz
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Brushless Motoren - warum rpm/Volt (Gelesen: 82 mal)
Klauser Gerhard
MCB Mitglied
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Beiträge: 238
Geschlecht: male
Brushless Motoren - warum rpm/Volt
19.07.2010 um 20:26:36
 
@Carsten & Klaus
zum beim Heli-Training erörterten Thema bin ich zu folgenden Schlussfolgerungen gekommen.
 
Frage:  
Wozu braucht es beim bürstenlosen Motor eine Angabe in Umdrehungen/V, wenn doch die Drehzahl
durch die Drehgeschwindigkeit des Drehfeldes des Controllers vorgegeben wird?
 
Antworten:
- Ein bürstenloser Motor ist eigentlich ein Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung.
 
- Die Drehzahl beim Gleichstrommotor hängt u.A. von der der angelegten Spannung ab.  
  Vernachlässigt man Innenwiderstände, Reibung, Last etc. dann hängt die Drehzahl nur noch
  von der Spannung und der Bauart bedingten gegen EMK ab. D.h. sobald die gegen EMK sich der  
  angelegten Spannung nähert, geht der Strom zurück und die Drehzahl steigt nicht weiter an
  (stark vereinfacht).
  http://www.hs-weingarten.de/home/studiengaenge/ft_b/de/labore_institute/el_antri ebe_u_steuerungen/praktikumsversuche/gleichstrommotor.pdf
   
  gegen EMK: die Ankerwicklung ist eine Spule, die sich im Magnetfeld des Stators bewegt.
  Bewegt man einen Leiter in einem Magnetfeld, wird eine Spannung induziert.
  Je schneller die Bewegung, desto höher die induzierte Spannung.
  Diese Spannung wirkt der anglegten Motorspannung entgegen (Lorenzkraft http://www.energie.ch/lorentzkraft)
  Je mehr Windungen, desto grösser die Spannung und damit desto kleiner die Leerlaufdrehzahl.
 
- Da beim bürstenlosen Motor die Kommutierung elektronisch erfolgt, folgt die Drehzahl des
  Motors der Drehgeschwindigkeit des Drehfeldes vom Regler, so lange wie er dazu Bauart bedingt
  eben in der Lage ist (gegen EMK). D.h. der Motor läuft wie von Klaus richtig festgestellt eigentlich als Synchronmotor.
  Sobald die physikalische Grenze erreicht wird (gegen EMK zu gross, Last, Reibung..), kann der Motor einem  
  weiteren Anstieg der Drehzahlvorgabe nicht mehr folgen und der Regler muss sogar  
  die Drehzahl reduzieren, damit der Schlupf nicht zu gross wird, andernfalls fällt der  
  Synchronmotor komplett 'ausser Tritt'.
 
- Die oft angegebene feste oder variable Frequenz des Drehzahlreglers beschreibt nicht die  
  Drehgeschwindikeit des Drehfeldes sondern nur mit welcher Frequenz der Regler arbeitet und damit mit  
  welcher Auflösung oder Genauigkeit (=Samplingrate) das Drehfeld erzeugt werden kann.
 
Schlussfolgerung:
- die Angabe rpm/Volt bei einem bürstenlosen Motor beschreibt die maximale Leerlauf Drehzahl,  
  die der Motor Bauart bedingt erreichen kann. Solange der Motor unter dieser physikalischen
  Grenze betrieben wird und die Last dies erlaubt, folgt die Drehzahl ausschliesslich der  
  Vorgabe des Reglers.
 
Zusatzfrage:  
Warum nimmt die Drehzahl mit abnehmender Akkuspannung ab, wenn doch die Drehzahl nur vom Regler abhängt ?
 
Antwort:
- Der Regler misst ja ständig den Schlupf des Motors, wir der Schlupf zu gross, da der Motor aufgrund der
  geringerne Spannung nicht mehr mitkommt, reduziert der Regler die Drehzahl auf eine Wert, wo der
  Schlupf noch in einem akzeptablen Bereich liegt.
 
Zusatzfrage:
Warum is die Drehzahl auch lastabhängig?
 
Antwort:
- das Drehmoment (=Last) eines Gleichstrommotors ist proportional zum Strom. Steigt die Last, steigt der Strom.
  Weder Motor noch Akku noch Zuleitungen sind ideal. Durch die Innenwiderstände reduziert sich die
  Spannung, die letztlich übrig bleibt, die gegen EMK zu überwinden. (Ohmsches Gesetz: U=I*Ri).
  Logik: steigende Last -> steigender Storm -> weniger Spannung -> weniger -> Drehzahl
 
Anmerkung:  
  Theoretisch könnte man diesem Problem einfach durch mehr Spannung begegnen.  
  Aber die so vernichtete Spannung erzeugt Wärme (P=U*I = U * U * R). Ein zu starkes Erhöhen der  
  Spannung steigert daher zwar die erreichbare Drehzahl, die erzeugte Wärme zerstört aber irgendwann die Komponenten.
 
Hoffe, dass diese Bild in etwa beschreibt wie so en System (Regler/Motor) funktioniert. Kommentare/Ergänzungen/Korrekturen sind willkommen.
 
Gerhard
 
 
     
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Gerhard Klauser
Hählingen 8
6850 Dornbirn
+43 699 17213512
gerhard.klauser@A1.net
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Voegl Thomas
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Beiträge: 24
Re: Brushless Motoren - warum rpm/Volt
Antworten #1 - 20.07.2010 um 12:40:04
 
Hallo Gerhard!
 
Vom Aufbau her sind es permanenterregte Synchronmotoren, man spricht hier bei kleinen Motoren auch von bürstenlosen Gleichstrommaschinen, siehe Wikipedia:
 
Dreiphasen-Synchronmotoren, Bürstenlose Motoren [Bearbeiten]
Dreiphasige Synchronmotoren finden mit der Entwicklung geeigneter sensorloser leistungselektronischer Ansteuerung auch zunehmend Anwendung bei kleineren Leistungen[1], zum Beispiel als Stellantriebe. Sie besitzen hierbei den Vorteil einer definierten Läuferstellung bei hoher Dynamik, hohem Drehmoment und hoher Effizienz.
 
 
Bürstenloser sensorgesteuerter Gleichstrommotor (Rückseite mit Treiber-IC und Hallsensor)  
Vorderseite zum oberen Bild mit Stator-Spulen, Dauermagnet-Außenläufer und Welle (Capstan-Antrieb eines Videorecorders)Kleine dreiphasige permanenterregte Synchronmotoren mit einer schaltenden Elektronik werden oft als bürstenlose Gleichstrommaschine (engl. brushless direct current, BLDC) bezeichnet. Die drei Spulenstränge des Stators werden über eine Brückenschaltung (mit MOSFET, Bipolartransistoren, oder IGBT, bei kleinen Leistungen in einem Leistungs-IC integriert) kommutiert. Man spricht daher auch von EC-Motoren (elektronisch kommutiert, engl. electronical commutation). Die Elektronik ist ein geregelter Frequenzumrichter.
 
Es gibt drei Arten elektronischer Kommutierung:
 
Motoren mit sensorgesteuerter Kommutierung besitzen Lagesensoren, die die Stellung des Rotors detektieren. Wie bei der bürstenbehafteten Gleichstrommaschine, können so die Phasen in Abhängigkeit von der Lage des Rotors geschaltet werden. Die Position des Rotors wird meistens mittels magnetischer (Hall-Sensoren, seltener GMR-Sensoren) erfasst; seltener werden optische, kapazitive oder induktive Positionssensoren eingesetzt (z. B. bei hochwertigen Industriemotoren, Servomotoren, wo der Sensor gleichzeitig für die Positionserfassung des Reglers verwendet wird).
 
Gewöhnlich werden drei digital schaltende Sensoren verwendet, die es erlauben, die Rotorposition in sechs Abschnitte pro Polpaar zu unterteilen. Es werden immer zwei Phasen bestromt (der Strom fließt in eine Phase hinein und kommt in einer anderen heraus). Die dritte Phase bleibt stromlos. Wenn man die Phasen der Reihenfolge nach mit 1,2,3 bezeichnet, so wird der Strom beim Drehenden Motor so umgeschaltet, dass die Phasen in der Reihenfolge 1-3, 2-3, 2-1, 3-1, 3-2 (und dann wieder 1-2 …) durchflossen werden.
 
Wegen des zusätzlichen Aufwands, der zusätzlichen Kabel oder geringerer Toleranz gegenüber extremen Temperaturen sind Sensoren nicht immer erwünscht. Deswegen wurde die sensorlose Kommutierung entwickelt. Hier wird die Gegenspannung zur Detektion der Rotorposition benutzt. Diese Variante heißt im Englischen ‚sensorless‘, da keine separaten Sensoren benötigt werden. Wie bei der sensorgesteuerten Kommutierung werden immer zwei Phasen bestromt und eine bleibt stromlos. An dieser Phase wird die Gegenspannung gemessen, um die Rotorlage zu erfassen und zum richtigen Zeitpunkt weiterzuschalten. Da zur Entstehung einer auswertbaren Gegenspannung eine gewisse Mindestdrehzahl erforderlich ist, müssen sensorlose Motoren ähnlich wie ein Schrittmotor bis zum Erreichen dieser Drehzahl blind geschaltet werden.
 
Schließlich können die Motoren mit einer Vektorregelung betrieben werden. Dafür werden alle Phasen bestromt. Bei gleichmäßiger Drehzahl gleicht die Spannung am Motor der eines Drehstromnetzes. Im Gegensatz zum Betrieb am Netz muss sich aber hier nicht die Rotorlage passiv der Spannung und dem Drehmoment anpassen, sondern die Spannungen der Phasen werden aktiv der Rotorlage und dem gewünschten Drehmoment angepasst. Die Ansteuerung mit Vektorregelung wird für die anspruchvollsten Aufgaben der Antriebstechnik verwendet.
 
Diese Maschinen sind wegen ihrer zusätzlichen Elektronik im Vergleich zu Gleichstrommotoren eher teuer. Sie verdrängen aber wegen höherer erreichbarer Drehzahlen (und daher auch höherer Leistung bei gleichen Bauvolumen), und wegen geringerem Verschleiß (keine Bürsten, daher längere Lebensdauer) konventionelle Gleichstrommotoren immer mehr. Die häufigste Anwendung elektronisch kommutierter Synchronmotoren ist zurzeit noch als Außenläufer in Computern. Dort treiben sie Lüfter und verschiedene Laufwerkstypen an, so auch in DVD-Spielern. In kleinen Pumpen verdrängen sie zunehmend die ineffizienten Spaltpol- oder Einphasenmotoren. Ebenfalls üblich ist der Einsatz als Servomotor in Produktionsmaschinen. Auch im Modellbau werden diese Motoren in jüngerer Zeit zunehmend eingesetzt und haben, im Verbund mit Lithium-Polymer-Akkus ein gutes Leistungsgewicht erreichend, etwa bei Modellhubschraubern die Verbrennungsmotoren weitgehend verdrängt. In Videorekordern verwendet(e) man sie zum Antrieb der Kopftrommel. Im RC-Modellbau haben bürstenlose Motoren herkömmliche (Bürsten-) Motoren nahezu vollständig verdrängt.
 
 
Gruß
THomas
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