Motorstyring

Omkring 45% af vores energiforbrug globalt går til motordrift (World Energy Council: 2013 Survey Summary). Motorer bruger meget strøm, men er en vigtig del af vores dagligdag og findes overalt.... fra små husholdningsapparater og el-værktøj over el-biler og tog i transportsektoren, til de store industrimotorer til offshore boreplatforme og dæmninger.

Siden den industrielle revolution blev sparket i gang, har vi reduceret tid og arbejdskraft ved at sætte strøm til alt, hvad vi overhovedet kunne finde på, med en motor. Et utal af el-apparater har gjort vores liv i hjemmet lettere og mere behageligt, og har gjort vores arbejdspladser mere effektive og profitable. Men hvad er prisen for det?

Energislugende motorer og miljøet
I vores moderne verden med reduktion af fossile brændstoffer midt i frygten for vores miljø, står producenter af motordrevne apparater overfor vanskelige tider fremover. Uden alternativer af betydning fra vedvarende energikilder lige om hjørnet, er problemet blevet forværret gennem en stigende efterspørgsel, der kommer fra den voksende økonomiske udvikling i Afrika, Asien og Sydamerika koblet sammen med den hurtigt ekspanderende globale befolkning.

Verden over har regeringer i en årrække indført stadig mere lovgivning for at reducere energiforbruget og der kommer stadig mere lovgivning til. Herudover er forbrugerne blevet smartere og vælger pr. automatik produkter med lavt energiforbrug. Det samme gælder industrielle kunder, som investerer i mere effektivt udstyr..

 Motor-miniaturisering
Udover at minimere strømforbruget, så har ingeniører også en udfordring i at reducere motorer, drivere og deres styringer til stadigt mindre dimensioner. En vaskemaskine, der har en stor tromle, er et godt salgsargument overfor kunderne, men den skal stadig passe til standarddimensionerne. Når der bliver mindre plads til elektronikkomponenter giver det problemer med temperaturreguleringen, som giver ingeniører yderligere udfordringer med hensyn til design. Når der skal indsættes køleenheder øger det strømforbruget, så man bliver nødt til at konstruere selve motorerne til at være mere effektive, så der først og fremmest genereres mindre varme.

Åbent og lukket motorkredsløb

For at forklare dette på den mest basale og enkle måde, så omfatter et åbent kredsløbssystem ikke feedback. Motorens hastighed er styret til et fastsat niveau, som kan variere under forskellige belastingsforhold.

Et lukket kredsløbssystem omfatter feedback ved at returnere information til indgangspunktet for selvjustering. Så når hastighed er styret til et fastsat niveau og belastningen ændrer sig, så vil controlleren justere hastigheden tilbage til det fastsatte niveau. Et godt eksempel herpå er en positionsmotor på et teleskop, som konstant vil justere sig selv for at spore sig ind på de krævede koordinater.

Børsteløse jævnstrømsmotorer (BLDC)

Af Elvir Kahrimanovic, Senior Application System Engineer hos Infineon.

Et stigende antal løsninger med bevægelsesstyring bygges i dag omkring den børsteløse jævnstrømsmotor (BLDC) inden for så forskellige områder som kraftigt elværktøj, industriel automation, el-cykler og fjernstyrede droner. BLDC-løsninger kræver mere kompleks drivelektronik end alternativerne med børster, men motorerne har en række driftsmæssige fordele, blandt andet højere effektivitet og højere effekttæthed. Det åbner op for at bruge mindre, lettere og billigere motorer. Samtidig er der mindre mekanisk slitage, hvilket igen fører til højere pålidelighed, længere levetid, samtidig med at man slipper for løbende vedligeholdelse. BLDC-motorer kører også med lavere akustisk og elektrisk støj end motorer med børster.

Nogle gange kaldes en BLDC-motor også en elektronisk kommuteret motor (ECM). En typisk BLDC-motor har en trefaset stator, som holder rotoren i rotation gennem elektronisk styring, der bl.a. involverer et trefaset inverterkredsløb. Dette kredsløb skifter konstant strømmen i statorviklingerne i takt med rotorpositionen, som registreres via sensorer eller gennem beregninger baseret på den tilbagevirkende elektromotoriske kraft (EMF) på et givet tidspunkt. Den genererede flux i statoren interagerer med rotorens flux, som definerer motorens moment og hastighed.

Under designet af en BLDC-løsning kan man som ingeniører vælge mellem at bruge diskrete komponenter eller integrerede halvledere, der samler en række vigtige driv- og styringsfunktioner i en enkelt enhed.

Få dybtgående information i Infineons hvidbog: "Power Loss and Optimised MOSFET Selection in BLDC Motor Inverter Designs” (Effektab og optimeret MOSFET-valg i design af BLDC-motorer), som er tilgængelig via DesignSpark.

Læs videre for at få mere at vide om andre motortyper – jævnstrømsmotorer med børste og vekselstrømsmotorer.

Viste produkter inden for motorstyring

Motortyper

Grundlæggende bruger el-motorer magnetisme til at skabe bevægelse. Motorer opdeles i 2 hovedkategorier. AC (vekslestrøm) og DC (jævnstrøm).

DC-motorer var de første der blev opfundet og de er stadig den mest enkle form for motor. DC-motorer kører ved at lade et strømflow passere gennem en leder inde i et magnetfelt for at producere et roterende moment. Hovedtyper inden for DC-motorer er børste-DC og børsteløse DC. Med børstemotorer genereres bevægelsen ved at forbinde modsatrettede poler af strømkilder for at give negative og positive ladninger til  kommutatoren, når der skabes fysisk kontakt med børsterne.

Som navnet antyder, så har børsteløse motorer ingen børster. Istedet er der monteret permanente magneter rundt om motorens perimeter. Dette eliminerer behovet for kommutatorer og forbindelse, så vel som børster. Børstemotorer er enkle og billige, men kræver mere vedligeholdelse, idet børsterne jævnligt skal renses og erstattes. På den anden side er der en tendens til at børsteløse motorer er mere præcise for applikationer, som kræver styret positionering og har derudover den fordel, at de kræver begrænset eller slet ingen vedligeholdelse. Det betyder så, at børsteløse motorer er dyrere at fremstille og kræver en motorstyring, som kan koste lige så meget som selve motoren.

AC motorer kan også kategoriseres i 2 hovedtyper: Induktion og Synkron,  med en 3. mindre almindelig type Lineær AC-motorer.

På et meget basalt niveau består AC-motorer af 2 hoveddele: den ydre del, kaldt stator – den stationære del af motoren – som har spoler, der forsynes med vekselstrøm for at producere et roterende magnetfelt inde i rotoren, koblet til en aksel, som producerer et andet roterende magnetfelt. Lineærer motorer er i princippet magen til roterende motorer, men konfigureres med bevægelig og stationære dele på en lige linje - ultimativt istedet for rotation producerer denne lineær bevægelse.

Induktionsmotorer kaldes sådan, fordi moment er produceret ved hjælp af elektromagnetisk induktion. Disse motorer er almindeligvis kendt som egern bur motorer eller viklet rotor motorer.

Synkronmotorer adskiller sig fra induktionsmotorer ved at de arbejder i præcis synkronisering med linjefrekvens. I modsætning hertil er induktionsmotorer afhængige af induktion af strøm til at producere magnetfelt og kræver et "slip" (lidt langsommere rotationer) for rent faktisk at kunne inducere strøm.

Det skal du være opmærksom på, når du skal vælge en motor.

Når du skal vælge en motor, er der en række vigtige egenskaber, som du skal være opmærksom på: