Vergleich und Analyse von bürstenlosen Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten und Permanentmagnet-Synchronmotoren
Vergleich und Analyse von bürstenlosen Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten und Permanentmagnet-Synchronmotoren
Freigabezeit：2022-10-27
Gleichstrommotoren mit permanent erregten Magneten und permanent erregte Synchronmotoren verwenden im Wesentlichen die gleichen Materialien; Unterschiede liegen hauptsächlich im Design.
Die Materialien, die für bürstenlose Gleichstrommotoren und Permanentmagnet-Synchronmotoren verwendet werden, sind im Wesentlichen die gleichen; die Unterschiede liegen hauptsächlich im Design. Bei der Konstruktion bürstenloser Gleichstrommotoren ist das Luftspaltmagnetfeld rechteckig (trapezförmig), wobei der flache Teil möglichst eben sein sollte. Daher werden bei der Wahl der Polpaarzahl in der Regel ganzzahlige konzentrierte Wicklungen wie 4 Pole und 12 Nuten verwendet, und die Permanentmagnete sind in der Regel konzentrische Sektorringe mit radialer Magnetisierung. Darüber hinaus werden in der Regel Hall-Sensoren zur Erfassung von Position und Geschwindigkeit verwendet, und die Ansteuerung erfolgt in der Regel mit einem sechsstufigen Rechtecksignal für Anwendungen mit geringen Positionsanforderungen. Bei Permanentmagnet-Synchronmotoren hingegen handelt es sich um ein sinusförmiges Luftspaltmagnetfeld, das möglichst sinusförmig sein sollte. Daher werden bei der Wahl der Polpaarzahl gebrochene Wicklungen wie 4 Pole und 15 Nuten, 10 Pole und 12 Nuten usw. verwendet, und die Permanentmagnete sind in der Regel in Sandwichform mit paralleler Magnetisierung angeordnet. Als Sensoren werden in der Regel Inkrementalgeber, Drehstromwandler, Absolutwertgeber usw. eingesetzt. Die Ansteuerung erfolgt in der Regel mit sinusförmigen Signalen wie z. B. dem FOC-Algorithmus und wird in Servoanwendungen eingesetzt.
Sie können anhand der inneren Struktur, der Sensoren, des Antriebs und des Anwendungsbereichs unterscheiden. Diese Motoren können auch ausgetauscht werden, dies führt jedoch zu Leistungseinbußen. Bei den meisten Permanentmagnetmotoren, deren Luftspaltwellenform zwischen beiden liegt, kommt es hauptsächlich auf die Art des Antriebs an.
Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren werden in der Regel für die Rotormagnete Hufeisenmagnete verwendet. Durch die Magnetkreisgestaltung kann eine trapezförmige Luftspaltflussdichte erzielt werden. Die Statorwicklungen verwenden meist konzentrierte ganzzahlige Wicklungen, daher ist auch die induzierte Gegen-EMK trapezförmig. Die Steuerung bürstenloser Gleichstrommotoren benötigt eine Positionsrückmeldung, daher muss ein Positionssensor vorhanden sein oder eine positionslose Schätztechnik verwendet werden, um ein selbstregulierendes Drehzahlregelungssystem zu bilden. Bei der Steuerung sollten die einzelnen Phasenströme ebenfalls möglichst als Rechtecksignale gesteuert werden, und die Ausgangsspannung des Inverters kann mit der PWM-Methode eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors gesteuert werden. Im Wesentlichen ist ein bürstenloser Gleichstrommotor auch ein Permanentmagnet-Synchronmotor, und die Drehzahlregelung gehört auch zum Bereich der Frequenzregelung.
Ein üblicher Permanentmagnet-Synchronmotor verfügt über eine dreiphasige verteilte Statorwicklung und einen Permanentmagnetrotor. Die Magnetkreisstruktur und die Wicklungsverteilung gewährleisten eine sinusförmige induzierte EMK-Wellenform. Die angelegte Statorspannung und der Statorstrom sollten ebenfalls sinusförmig sein und werden in der Regel von einem Drehstromfrequenzumrichter bereitgestellt. Das Steuerungssystem des Permanentmagnet-Synchronmotors verwendet in der Regel eine selbstregulierende Regelung und benötigt auch eine Positionsrückmeldung. Es können fortschrittliche Steuerstrategien wie Vektorsteuerung (feldorientierte Steuerung) oder direkte Drehmomentregelung verwendet werden.
Der Unterschied zwischen beiden kann als unterschiedliche Designphilosophie aufgrund der Rechteck- und Sinussteuerung angesehen werden.
Abschließend sei noch ein Begriff korrigiert: "Gleichstrom-Frequenzumrichter" ist eigentlich ein Wechselstrom-Frequenzumrichter, wobei das gesteuerte Objekt in der Regel als "bürstenloser Gleichstrommotor" bezeichnet wird.
Meiner Meinung nach ist der Unterschied zwischen BLDC und PMSM schwer zu beschreiben und hängt manchmal von der Anwendung ab. Traditionell unterscheidet man sie durch ihre unterschiedliche Gegen-EMK: BLDC nähert sich einer Rechteckwelle an, PMSM einer Sinuswelle. In Bezug auf die Steuerung verwendet BLDC in der Regel ein 6-Takt-Rechtecksignal, um die Phase und die Einschaltzeit des Rechtecksignals zu steuern, während PMSM FOC verwendet. In Bezug auf die Leistung hat BLDC eine etwas höhere Leistungsdichte, da BLDC den Drehmoment durch die Oberschwingungen voll ausnutzt, was jedoch auch zu stärkeren Oberschwingungen bei BLDC führt.
1. Bürstenloser Gleichstrommotor-Motorgehäuse:
Der Stator ist mit konzentrierten Wicklungen ausgestattet, der Permanentmagnetrotor erzeugt ein Rechteckmagnetfeld; Permanentmagnet-Synchronmotor-Motorgehäuse: Der Stator ist mit verteilten Wicklungen ausgestattet, der Permanentmagnetrotor erzeugt ein Sinusmagnetfeld;
2. Positionssensor des bürstenlosen Gleichstrommotors:
Niedrige Auflösung, 60-Grad-Auflösung, Hall-Element, elektromagnetisch, optoelektronisch; Positionssensor des Permanentmagnet-Synchronmotors: Hohe Auflösung, 1/256, 1/1024, Drehstromwandler, optischer Encoder;
3. Unterschiedliche Steuerung:
Bürstenloser Gleichstrommotor: 120-Grad-Rechteckstrom, PWM-Steuerung;
Permanentmagnet-Synchronmotor: Sinusförmiger Strom, SPWM SVPWM-Steuerung.
Bürstenloser Gleichstrommotor: Die Permanentmagnete sind rechteckig magnetisiert, die Steuerspannung PWM ist ebenfalls rechteckig, ebenso der Strom. Eine Periode hat 6 Raumvektoren. Einfache Steuerung, niedrige Kosten, einfache Implementierung mit einem normalen Mikrocontroller.
Permanentmagnet-Synchronmotor: Die Permanentmagnete sind sinusförmig magnetisiert, die Gegen-EMK ist ebenfalls sinusförmig, ebenso der Strom. In der Regel wird eine Vektorsteuerung verwendet, eine Periode hat in der Regel mindestens 18 Vektoren (natürlich je mehr desto besser), und es ist ein Hochleistungs-Mikrocontroller oder DSP erforderlich.
Gleichstrom-Servoantriebe: Das ist ein sehr breites Feld. Gleichstrom-Servoantriebe bezeichnen Gleichstrommotoren, die unter der Steuerung eines Regelungssystems gemäß der Steuerungsanweisung (Drehzahl, Position, Winkel usw.) betrieben werden und in der Regel als Aktuatoren verwendet werden.
I. Unterschiedliche Sensoren:
Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC): Positionssensor, z. B. Hall-Sensor;
Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM): Geschwindigkeits- und Positionssensoren, z. B. Drehstromwandler, optische Encoder;
II. Unterschiedliche Gegen-EMK-Wellenformen:
BLDC: Annähernd trapezförmig (idealer Zustand);
PMSM: Sinusförmig (idealer Zustand)
III. Unterschiedliche dreiphasige Stromwellenformen:
BLDC: Annähernd rechteckig oder trapezförmig (idealer Zustand);
PMSM: Sinusförmig (idealer Zustand)
IV. Unterschiedliche Steuerungssysteme:
BLDC: In der Regel inklusive Positionsregler, Geschwindigkeitsregler und Strom- (Drehmoment-) Regler;
PMSM: Unterschiedliche Steuerstrategien führen zu unterschiedlichen Steuerungssystemen;
V. Unterschiedliche Designprinzipien und -methoden:
BLDC: Maximale Verbreiterung der Gegen-EMK-Wellenform (Annäherung an eine Trapezform);
PMSM: Annäherung der Gegen-EMK an eine Sinuswelle;
Dies spiegelt sich im Design hauptsächlich in den Unterschieden bei den Statorwicklungen und der Rotorstruktur (z. B. Polradienkoeffizient) wider.
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