Autor Thema: Brushless Motoren - warum rpm/Volt  (Gelesen 5883 mal)

Klauser Gerhard

  • MCB Mitglied
  • Sr. Member
  • *
  • Beiträge: 252
Brushless Motoren - warum rpm/Volt
« am: 19. Juli 2010, 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_antriebe_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


      
Gerhard Klauser
Hählingen 8
6850 Dornbirn
+43 699 17213512
gerhard.klauser@gmail.com
http://www.klauserg.at/

Voegl Thomas

  • MCB Mitglied
  • Full Member
  • *
  • Beiträge: 118
Re: Brushless Motoren - warum rpm/Volt
« Antwort #1 am: 20. Juli 2010, 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

Schneider Klaus

  • MCB Mitglied
  • Sr. Member
  • *
  • Beiträge: 388
Re: Brushless Motoren - warum rpm/Volt
« Antwort #2 am: 11. November 2010, 10:48:24 »
Hallo!

Für alle die es nochmals genau wissen wollen  ;)

Da ich gerade einen 2 Quadranten-Regler für Brushless-Motoren bauen muss, habe ich mir die ganze Theorie nochmals reingezogen.
Anbei die theoretische Abhandlung und somit die Bestätigung von Gerhard seiner Ausführung!!

Gruss
Klaus


Grundlage für die theoretischen Überlegungen ist das folgende (vereinfachte) Motorersatzschaltbild (Motor in Sternschaltung).

RL(A,B,C) ist der Strangwiderstand
L(A,B,C) ist die Induktivität des Zweiges
ev(A,B,C) ist die BEMF (Induktionsspannung) in dem Zweig
U(A,B,C) ist die Phasenspannung bezogen auf den Sternpunkt

Uns interessiert hier die Spannung an einer unbestromten Phase (B), während die anderen Phasen an Ubatt(A)und GND (C) liegen.

Zur einfacheren Berechnung wird eine Spannung Un eingeführt. Das ist die Spannung im Sternpunkt bezogen auf GND.
1       für Phase A gilt:       Un = Ubatt - RLA*i - LA di/dt ± evA
2       für Phase C gilt:       Un = RLC*i + LC di/dt ± evC
3       unter der Annahme das
RLA = RLC
und LA = L C       Un=Ubatt/2 ± (evA + evC) / 2
4       setzt man einen symetrischen Aufbau voraus
so das gilt : evA + evB + evC = 0       Un=Ubatt / 2 ± evB / 2
5       dann gilt für die Spannung
an der unbestromten Phase B
bezogen auf GND       

UB = Un ± evb
UB = Ubatt / 2 ± 3/2 evB

Aus Gleichung 5 lässt sich eine einfache Methode, den Symetriepunkt der BEMF zu erfassen, ableiten.

Denn es gilt 3/2 ev(A,B,C) = Ubatt /2 - U(A,B,C) = 0 für U(A,B,C) = Ubatt/2.
Dieses ist ein einfacher Vergleich, welcher sich mit einem Komparator schaltungstechnisch leicht realisieren lässt.

Was jetzt noch fehlt, ist eine Abschätzung, wie groß die Spannungen U(A,B,C)werden können. Denn darüber sagt die Gleichung nichts aus.
      Es lässt sich zeigen, dass       mit
6       
ev(A,B,C) ~ NlrB[ch969]
      N ist die Windungszahl pro Phase
l ist die Länge des Rotors
r ist der innere Radius des Rotors
B ist die magnetische Induktion
[ch969] ist die Winkelgeschwindigkeit des Rotors

Bis auf die Winkelgeschwindigkeit sind alle anderen Werte durch die Bauform des des Motors vorgegeben.
Und tatsächlich erhalten wir beim Kauf eines Motors diese Angabe mit. Angegeben wird meist eine Leerlaufdrehzahl pro Volt.
Zum Beispiel: 500 min-1/Volt. D.h. betreiben wir diesen Motor mit einer Spannung von z.B. 20 Volt so erhalten wir eine Leerlaufdrehzahl von 10.000 min-1.
In diesem Betriebspunkt ist ein Gleichgewicht zwischen der von aussen angelegten Spannung und der BEMF-Spannung gegeben. D.h. ev(A,B,C) = Ubatt

Daraus folgt weiter:
UB = Ubatt / 2 ± 3/2 ev(A,B,C) = Ubatt / 2 ± 3/2 Ubatt;
Das bedeutet die BEMF-Spannung bewegt sich mit einer Amplitude von 3/2 Ubatt um Ubatt /2 herrum !!!
Und übersteigt damit sogar die Versorgungsspannung.
T-REX600/ Protos / SYNERGY N90
Heli - Oldies

Fuchs Erich

  • MCB Vorstand
  • Sr. Member
  • *
  • Beiträge: 294
  • I Love MCB!
Re: Brushless Motoren - warum rpm/Volt
« Antwort #3 am: 16. November 2010, 07:04:20 »
Hallo Zusammen

@ Klaus
Super, habe fast verstanden.  ;)
Kannst Du bitte einen Link hinterlegen, wo das schön nachzulesen wäre.
Tue mir etwas schwer, die Formeln so zu lesen. ;D

Oder bin ich zu doof ?

gruß Erich

Safarik Konstantin

  • MCB Mitglied
  • Sr. Member
  • *
  • Beiträge: 480
Re: Brushless Motoren - warum rpm/Volt
« Antwort #4 am: 16. November 2010, 09:11:02 »
Danke Erich.

Jetzt stell dir mal vor, was sich ein elektonisch total Minderbemittelter bei solch universitären Ausführungen denkt!


Abgesehen davon,habe ich gelesen, dass die Firma HACKER an diesem Problem (nachlassende Leistung des E-Motors bei nachlassender Spannund des Akkus) arbeitet, und eine völlig neue Generation von Reglern auf den Markt bringt.

Gruß mit in Falten gelegter Stirn

Konstantin
K.Safarik

Schneider Klaus

  • MCB Mitglied
  • Sr. Member
  • *
  • Beiträge: 388
Re: Brushless Motoren - warum rpm/Volt
« Antwort #5 am: 16. November 2010, 19:48:08 »
Hallo!

Hier nochmals ein paar Links, ansonsten einfach googeln.. ;)

http://www.mikrokopter.de/ucwiki/AntriebsTheorie
http://home.versanet.de/~b-konze/
http://www.gobrushless.com/kb/index.php?title=Brushless_101_-_Chapter_1
http://en.nanotec.com/steppermotor_animation.html
http://www.aerodesign.de/peter/2001/..._in_action.gif
http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00885a.pdf

@Konstantin
Im Printzip sind die Brushless Motoren mit 3 Wicklungen um Eisenkörper.  Der bewegliche Teil des Motors ist ein Permanentmagnet.
Je nachdem in welcher Richtung der Strom durch die Spule fließt zieht er an oder stösst er ab . Da sich der Motor ja drehen soll müssen die Wicklungen, die sternförmig um 120° versetzt sind nacheinander kurzzeitig von einem Strom durchflossen werden.  Der Rotor versucht dem Magnetfeld zu folgen und dreht sich dadurch.
Da aber nicht nur eine Wicklung durchstromt wird, was ein sehr ruckartiges Drehen wie bei einem Schrittmotor zur Folge hätte, werden immer 2 Wicklungen angesteuert, was die Drehbewegung gleichmässiger macht.
Wenn jetzt der Motor gebremst bzw. belastet wird, kann er unter Umständen nicht mehr dem Magnetfeld folgen. Die Elektronik "merkt" das nicht und der Motor würde ausser Tritt kommen und stehen bleiben.
Zu diesem Zweck können Sensoren verwendet werden, die erfassen wo der Rotor gerade steht bzw. ob er gebremst wird und die Elektronik kann dem entgegen wirken. Diese Sensoren machen jedoch den Motor wieder teurer.
Desdhalb verwendet man die 3.Spule , welche nicht durchstromt wird, wie einen Sensor. Im Prinzip wie ein Dynamo, wo auch ein Magnet und eine Spule durch Bewegung eine Spannung ergeben. Anhand dieser Spannung kann man jetzt feststellen wo der Rotor steht und die Steuerung ganz gezielt regeln.
Einen kleinen Schönheitsfehler hat das ganze, nämlich dass beim Anlaufen ( der Rotor steht ja noch) keine Spannung in dieser Spule induziert wird ( Beim Fahrraddynamo gehts auich erst beim Strampeln los ;-)). Das Anlaufen erfolgt also blind, weshalb dieses eben bei diversen Reglern schon mal Probleme machen kann.

Welche Spule welche Aufgabe hat ändert sich logischwerweise innerhalb jeder Umdrehung einmal.

Hoffe es vielleicht wein wenig verständlicher gemacht zu haben als mit den Formeln ;) .

Schönen Abend
Klaus
T-REX600/ Protos / SYNERGY N90
Heli - Oldies

Weiss

  • Gast
Re: Brushless Motoren - warum rpm/Volt
« Antwort #6 am: 17. November 2010, 09:13:44 »
 ::) :)HJallo Klaus

Nun komme auch ich mit

Danke  Gruß Wolfgang

Voegl Thomas

  • MCB Mitglied
  • Full Member
  • *
  • Beiträge: 118
Re: Brushless Motoren - warum rpm/Volt
« Antwort #7 am: 18. November 2010, 09:10:02 »
Da habe ich auch noch eines, da muß man nur schauen:



Gruß
Thomas