فصل اول

مقدمه
امروزه كاربرد وسيع موتورهاي الكتريكي در بخشهاي مختلف و در زندگي روزمره در مصارف خانگي و مصارف صنعتي آنچنان وسعت يافته كه تصور دنياي موجود بدون موتورهاي الكتريكي اگر نگوييم غير ممكن بايد گفت غير قبل تصور مي‌باشد. پس از طراحي و ساخت اولين نمونه ماشين الكتريكي توسط ارستد اين ماشينها تغيير و تحولات بزرگي را در دهه‌هاي اخير پذيرا بوده‌اند جهت گيري عمومي اين تغييرات افزايش راندمان و بهبود كيفيت كار ماشين همراه با كاهش وزن و حجم و قيمت تمام شده بوده است. گر چه تجمع تمامي اين مولفه‌ها هميشه در يك طرح ممكن نيست اما طراحان ماشينهاي الكتريكي بر اساس تجربه دانش و هنر خويش هميشه سعي در تلفيق آنها نموده‌اند.

تحقيق فوق در رابطه كنترل دور موتورهاي DC بدون جاروبك بوده كه شامل دو بخش طراحي و كنترل مي‌باشد. كه در بخش طراحي به نحوة طراحي بكمك نرم افزار و روابط و فرمولهاي حاصله براي توان و گشتاور اشاره شده و در بخش كنترل نحوه كنترل دور موتور بكمك تراشته‌هاي MC33035 و MC33039 بيان گرديده است. و مدارات و عناصر مرتبط با تراشه‌هاي كنترلي نيز آورده شده است.
در پايان جا دارد از زحمات و راهنماييهاي استاد ارجمند جناب مهندس لنگري كمال تشكر را داشته باشم. هم چنين از پدر و مادر عزيزم و برادرانم كه در طي اين مدت با صبر و تحمل و راهنماييهاي دلسوزانه خويش همواره مشوق من بودند سپاسگزارم.

مواد آهنرباي دائم
آهنرباهاي دائم ممكن است در ماشينهاي الكتريكي براي ايجاد تحريك، توليد خواص مشابه الكترومغناطيسهاي تحريك شده با جريان مستقيم، مورد استفاده قرار گيرند. يك آهنرباي دائم مفيد مي‌باشد زيرا انرژي مغناطيسي را ذخيره مي‌كند و اين انرژي صرف عملكرد وسيله نمي‌گردد. نقشي را كه اين انرژي ايفا مي‌كند قابل مقايسه با يك كاتاليزور در يك واكنش شيميايي است. هنگام كار در محدوده طبيعي، آهنربا انرژي‌اش را براي يك دوره نامحدود از زمان حفظ مي‌كند. بايد توجه نمود كه اگر ميدان مغناطيسي با استفاده از آهنرباي الكتريكي به جاي آهنرباي دائم ايجاد شود، انرژي ميدان تحريك همچنان باقي مي‌ماند. با اين حال قدري انرژي، يعني تلفات اهمي جريان تحريك، از بين خواهد رفت.

اصول آهنرباي دائم

آهنرباهاي دائم، همانطور كه در شكل نشان داده شده، مواد مغناطيسي سخت با حلقه‌هاي هيسترزيس بزرگ مي‌باشند. زماني كه يك ماده آهنربا در معرض ميدان مغناطيسي قرار مي‌گيرد (بدين معني كه در ميان قطبهاي مغناطيسي يك آهنرباي الكتريكي قرار گيرد)، چگالي شار در ماده همانطور كه منحني ۰-۱ در شكل۱ نشان مي‌دهد افزايش خواهد يافت، كه به عنوان، منحني شروع مغناطيس شدن، شناخته مي‌شود. در نقطه ۱ ماده اشباع مي‌شود، و افزايش خواهد يافت، كه به عنوان منحني شروع مغناطيس شدن، شناخته مي‌شود. در نقطه ۱ ماده اشباع مي‌شود، و افزايش مجددي به صورت پيشروي حاشيه‌اي و در لبه منحني، در شدت ميدان مغناطيسي (H) و در چگالي شار (B) نتيجه مي‌شود. چگالي شار در يك نسبت نزديك به نفوذپذيري فضاي آزاد افزايش مي يابد.

شكل ۱: حلقه هيسترزيس آهنرباي دائم
كاهش پايدار مغناطيسي، پس از رسيدن به اشباع، باعث مي‌شود كه مسير خطي B-H ، منحني ۱-۲ را تعقيب كند. مقدار چگالي شار در نقطه ۲ روي حلقه هيسترزيس (H=0) به عنوان چگالي شار باقيمانده يا پسماند ماده آهنربا شناخته شده، و نشان دهنده مقدار شار مغناطيسي است كه ماده مي تواند توليد كند.
معكوس شدن جهت و افزايش ميدان مغناطيسي، حلقه هيسترزيس را در ربع دوم. يعني منحني ۲-۳ ايجاد خواهد كرد كه به عنوان منحني مغناطيس زدايي نرمال شناخته مي‌شود و اين قسمت مهمترين ناحيه مشخصه آهنربا مي‌باشد. مقدار ميدان مغناطيسي كه در آن چگالي شار در آهنربا به صفر مي‌رسد به عنوان پسماند زدايي يا نيروي پسماند زدا شناخته مي شود.

افزايش مجدد ميدان مغناطيسي، ماده آهنربا را در جهت معكوس به اشباع مي‌برد (نقطه ۴ ). حلقه هيسترزيس با كاهش ميدان مغناطيسي در نقطه ۵ به صفر مي‌رسد و سپس با معكوس شدن دوباره ميدان اعمال شده به پلاريته‌هاي اوليه و افزايش آن تا رسيدن به نقطه ۱، كامل مي‌شود.
مقادير چگالي شار به كار گرفته شده براي ترسيم حلقه هيسترزيس شكل ۱ چگالي شار كلي در ماده آهنربا را نشان مي دهد. البته همه شار ماده آهنربا از خواص شار در فاصله هوايي وجود خواهد داشت. البته چگالي شار در يك فاصله هوايي كه در معرض ميدان مغناطيسي H قرار دارد، مي‌باشد. در نتيجه چگالي شار كل (يا نرما) در ماده آهنربا (B) شامل دو مولفه است، يكي برابر مي باشد (كه به هر حال در هوا موجود است) و ديگري چگالي شار ذاتي است ( متعلق به قابليت ذاتي ماده براي داشتن شار بيشتر نسبت به آنچه كه در فاصله هوايي موجود است با شدت ميدان اعمال شده H ). از لحاظ محاسباتي در ربع اول و چهارم، و در ربع دوم و سوم حلقه هيسترزيس مي‌باشد، به طوري كه H در ربع دوم و سوم يك علامت منفي دارد. نمودار برحسب H به عنوان حلقه هيسترزيس ذاتي ماده آهنربا معروف است. شكل۲ حلقه‌هاي هيسترزيس ذاتي و نرمال يك ماده آهنربا را نشان مي‌دهد. در حال حاضر ما دو منحني مغناطيس زدايي داريم: نرمان و ذاتي.

چگالي شار باقيمانده يا پسماند براي هر دو منحني مغناطيس زدايي نرمال و ذاتي يكسان است. با اين حال، پسماند زدايي آنها متفاوت مي‌باشد. پسماندزدايي ذاتي ، ، بزرگتر از پسماند زدايي نرمال، است. اختلاف بين و به شيب منحني مغناطيس زدايي در مجاورت بستگي دارد. هر چه شيب بيشتر باشد، اختلاف كمتر خواهد بود. شيب منحني مغناطيس زدايي كه از محور –H مي‌گذرد براي آهنرباهاي آلنيكو خيلي زياد است و بنابراين بين پسماند زدايي نرمال و ذاتي اختلاف كمي وجود دارد. سراميكها (يا فريتها) و آهنرباهاي خاك كمياب بين و مشخصات مغناطيس زدايي نرمال تقريباً خطي دارند و اختلاف بين و بيشتر است. در بعضي از آهنرباهاي خاكي حدوداً دو برابر مي‌باشد.

شكل ۲ حلقه‌هاي هيسترزيس ذاتي و نرمال يك ماده آهنرباي دائم.
مواد آهنرباي مدرن
مواد آهنرباي دائم را بر طبق تركيب شيميايي شان مي توان به سه گروه اصلي تقسيم نمود. اين سه گروه شامل سراميكها (يا فريتها)، آلنيكوها و آهنرباهاي خاك كمياب مي‌شوند. در اين ميان فريتها (سراميكها كاملاً مغناطيسي) عايقهاي حرارتي و الكتريكي هستند در حالي كه ساير آهنرباها، هاديهاي فلزي مي باشند. آلنيكوها پسماند نسبتاً زياد و نيروي پسماند زداي كمي دارند، اما سراميكها داراي پسماند كم و نيروي پسماند زادي نسبتاً زيادي مي باشند، در حالي كه در مورد آهنرباهاي خاك كمياب، هر دوي اين پارامترها بزرگ مي‌باشد. سراميكها به عنوان مواد خام فراوان و خيلي ارزان مورد استفاده قرار مي‌گيرند. آلنيكوها و آهنرباهاي كابالت- خاك كمياب (كبالت- ساماريوم) از كبالت اما با درصدهاي مختلف استفاده مي كنند، در حالي كه در سراميكها و آهنرباهاي فريت- خاك كمياب (آهنرباهاي نئوديميوم- آهن – بورون) اصلاً از كبالت استفاده نمي شود.

خصوصيات مواد آهنرباي دائم تابع استاندارد بين المللي (۱۹۸۶) IEC 404-8-1 مي‌‌باشند بر اساس استاندارد IEC 404-1 مواد آهنرباي دائم با يك حرف كه همراه آن چند عدد مي آيد، طبقه‌بندي مي شوند. آهنرباهاي آلياژي با حرف R طبقه‌بندي مي شوند، در حالي كه سراميكها با S مشخص مي گردند. عدد اول نوع ماده را در كلاس مربوطه نشان مي‌دهد. براي مثال R1 آهنرباهاي آلنيكو را نشان مي دهد و R5 گروه كبالت خاك كمياب را مشخص مي كند. عدد دوم از بين : (O) آهنرباهاي همگرا، (۱) غيرهمگرا، (۳) پيوند پليمر همگرا و (۴) پيوند پليمر غيرهمگرا تعيين مي شود. عدد سوم به انواع مختلف آهنرباي مشابه در يك گروه مربوط مي‌گردد.

خواص مغناطيسي
مناسب‌ترين پارامتر براي تعيين كيفيت آهنربا، انرژي ماكزيموم آن است كه حاصل ضرب ميدان مغناطيسي و القايي آهنربا مي‌باشد، به طوري كه اين پارامتر بيانگر ماكزيمم انرژي است كه مي‌توان از آهنربا بدست آورد. وقتي كه آهنربا در نقطه حاصل ضرب انرژي ماكزيموم خود كار مي كند، ابعاد آن مينيموم مي‌‌باشد.
بهترين آهنرباهاي دائم با قابليت كار بالا، مواد كبالت- خاك كمياب (SmCo) بودند كه داراي حاصل ضرب انرژي ماكزيمومي بين ۱۹۰-۱۳۰ بودند. در سال ۱۹۸۴ با ظهور تركب نئوديميوم – آهن- بورون بدون كبالت كه حاصل ضرب انرژي ماكزيموم ۲۹۰ را داشت، اين وضعيت تغيير يافت. سرعت گسترش و پيشرفت اين ماده جديد در طول چند سال گذشته بسيار سريع بوده به طوري كه هم اكنون اين ماده در ابعاد تجاري از طريق توليد كنندگان آهنربا، قابل دسترسي است.
قيمت هر واحد انرژي
Nd-Fe-B 290-200 20/1 870 3/2

۱۹۰-۱۳۰ ۹۷/۰ ۷۵۰ ۷/۵

۲۴۰-۱۸۰ ۰۵/۱ ۶۶۰ ۱/۵
Alnico 85-70 1/1 130 7/2
Ceramics 35-27 4/0 240 3/0

جدول ۱- خواص مغناطيسي مواد آهنربا
در جدول ۱ خواص مغناطيسي گروههاي اصلي مواد آهنربا همراه با قيمت تقريبي هر واحد انرژي آنها، نشان داده شده است. هر گروه از مواد، خود داراي چندين درجه است، بنابراين محدوده وسيعي از حاصل ضرب انرژي ماكزيموم وجود خواهد داشت. پسماند و پسماند زدايي براي انواع گروههاي به كار گرفته شده در ماشينهاي الكتريكي، به صورت مقادير متوسط داده شده است. خواص انواع مواد نئوديميوم- آهن- بورون و سراميكهاي استحكام يافته با پليمر و خانواده آلنيكو كه قيمت انرژي پاييني دارند در اين جدول مورد مقايسه قرار نگرفته اند.
بايد توجه شود كه قيمت يك آهنرباي دائم عمدتاً به ابعاد، پيچيدگي ماشين كاري لازم بر روي آن ، و دقتهاي مورد نياز براي ابعاد و خواص مغناطيسي آهنربا بستگي دارد. بين انواع مواد در هر گروه نيز از نظر قيمت، تفاوتهايي وجود دارد. قيمت هر واحد انرژي كه در جدول خواص مغناطيسي مواد آورده شده، در واقع قيمت متوسط مي باشد و براي مقايسه‌هاي اوليه مي‌تواند مورد استفاده قرار گيرد.

خواص حرارتي
وقتي دما افزايش مي‌يابد، خواص مغناطيسي قدري كاهش مي يابد، كه بخشي از آن برگشت پذير و بخشي برگشت ناپذير است. تغييرات برگشت پذير در پسماند و نيروهاي پسماند زدا معمولاً بر حسب درصد بر كلوين بيان شده كه به ترتيب به كمك ضرايب حرارتي و نشان داده مي‌شود. تغييرات برگشت ناپذير توابعي از دما، نقطه كار آهنربا، و شدت ميدان مغناطيس زدا مي‌باشند. در جدول اثرات دما، دماي كوري (دماي لازم براي از بين بردن خاصيت آهنربايي)، ضرايب حرارتي، و بالاترين دماي پيشنهادي براي عملكرد گروههاي اصلي مواد در هر گروه آهنربا، بدست آمده است. در دماي كوري ماده، هر گونه خاصيت مغناطيسي از بين خواهد رفت، و در دماي كمتر مغناطيس كنندگي مجدد مورد نياز خواهد بود. اغلب مواد هم داراي دماي گذرايي هستند كه در آن دما ساختار كريستالي ماده به گونه‌اي تغيير مي يابد كه خواص مغناطيسي سخت براي هميشه از بين مي رود. بديهي است كه ماكزيموم دماي عملكرد ماده بايد پايين‌تر از اين دو مقدار دما تنظيم شود.

بايد دقت شود كه بعضي از انواع آهنرباهاي Nd-Fe-B كه در دماهاي بالا رفتار نامطلوبي دارند، داراي ضرايب حرارتي زياد براي نيروي پسماند زدا و نيز پسماند مي‌باشند. اين امر ماكزيموم دماي كاري را به حدود ۱۴۰ درجه سانتي‌گراد محدود مي‌كند.
دماي كوري

ماكزيموم دماي كاري
Nd-Fe-B 310 13/0- 60/0- 140
SmCo 720 045/0- 25/0- 250
Alnico 830 02/0- 01/0+ 500
Ceramics 450 20/0- 40/0+ 300

جدول ۲- اثرات دما بر مواد آهنربا
تأثير آهنرباهاي Nd-Fe-B روي طراحي موتور
مواد آهنرباي دائم جديد بهبود يافته مي‌توانند روي وسايل الكترومغناطيسي تأثيراتي را از طريق زير داشته باشند:
۱- جايگزيني ساير مواد در برخي محصولات فعلي.
۲- جايگزيني آهنرباهاي الكتريكي در برخي كاربردهاي فعلي.
۳- تعيين كاربردهاي تازه براي آهنرباهاي دائم كه قبلاً در اين موارد از آهنرباهاي دائم استفاده نمي شده است.

براي يك ماده جديد، جايگزيني ساير مواد آهنرباهاي دائم از نظر موفقيت تجاري از اهميت بسياري برخوردار است. جايگزيني مستقيم در مواردي امكان پذير است كه منحني‌هاي مغناطيس زدايي ماده جديد و ماده قديمي موازي هم باشند، به طوري كه بتوان خط كاركرد يكساني را مورد استفاده قرار داد . به علت تشابه ميان منحني‌هاي مغناطيس‌زدايي Nd-Fe-B و آهنرباهاي SmCo ، Nd-Fe-B ها در چندين مورد جايگزين SmCo ها شده‌اند. با اين وجود، SmCo در موارادي كه آهنربا در حين كار در معرض ميدانهاي مغناطيس زداي شديد و در دماي بالا قرار مي‌گيرد. همچنان مورد استفاده واقع مي شود.

در ميان همه مواد آهنرباي دائم، سراميكها ارزان‌ترين انرژي مغناطيسي را عرضه مي نماند. با اين حال حتي آنها نيز در بسياري از كاربردها كه حجم و وزن كم مورد نياز است، با آهنرباهاي Nd-Fe-B جايگزين مي‌شوند. علاوه بر اين، مواد نئوديميوم- آهن- بورون با انرژي زيادي كه ايجاد مي‌كند، امكان به كارگيري آهنرباهاي كوچكتر را نيز فراهم مي‌كنند. اين مسئله موجب كاهش اندازه ساير اجزا، ماشين از قبيل قطعات آهن و سيم پيچي مي‌شود، كه ممكن است در مجموع، هزينه كمتر شود.
مواد نئوديميوم – آهن- بورون با قيمتهاي فعلي، انرژي مغناطيسي ارزانتري را نسبت به آلنيكوها آرائه مي كنند و از اين رو استفاده از النيكوها در موتورها، در حال كاهش است. با اين وجود، آهنرباهاي آلنيكو به علت خصوصيت ممتاز ضرايب حرارتي القايي پايين‌شان ، در وسايل اندازه‌گيري و سنجش مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

طراحي BLDC موتورها
يك شكل از طراحي كلاسيك را مي توان با كمك مثالي از يك بالن شرح داد. چنانچه قسمتي از يك بالن را فشار بدهيد باعث برآمده شدن قسمت ديگر آن مي‌گردد. اين از وظايف يك مهندس طراح است كه بداند كجا را فشار داده و اثر برآمده شدن را بايد در كجا مشاهده نمايد. يكي از متداول‌ترين روشهاي طراحي شامل تصميماتي است كه كه توسط طراح گرفته مي‌شود. كه مبتني بر علم و تجربه است. امروزه تمايل به طراحي با استفاده از بسته‌هاي نرم افزاري كه عناصر كم و مدرني آنها را تشكيل داده است، بعنوان مثال ماگست، ماگسافت موتور- كد، ANSYS ، Magnet، Elux وخيليهاي ديگر رو به فزوني گذاشته شده است. طراحي ما در اينجا توسط آزمايشات ، تجربه‌‌ها آناليزهايي كه مبتني بر آناليز FE با استفاده از بسته نرم اقراري Maxwell 2 D مي باشد، بشدت تأثير پذير خواهد بود.

موضوع مورد بحث ما در واقع طراحي يك موتور است، بطوريكه نه تنها به تجهيزات رقابتي انرژي ۲۰۰۳ دست يابيم بلكه در عمل تير به نتايج خوبي دست پيدا كنيم. در ادامه بحث فرآيند طراحي از نظر جزئيات شرح داده مي شود و در نهايت تأثير پارامترهاي طراحي كه مبتني بر آناليز FE و نتايج آزمايشگاهي و تجربي مي‌باشد، ارائه خواهد شد.
سمبلها:

= ولتاژ DC ورودي به معكوس كننده
= بين فازهاي در حال هدايت موتور.
R = مقاومت آرميچر هر فاز
= جريان لحظه‌اي آرميچر.
L = اندوكتانس هر فاز
= جريان اوليه آرميچر در لحظه T=0
n = سرعت رتور

= ثابت براي PM = ثابت EMF برگشتي (همچنين ثابت آرميچر يا ثابت ولتاژ تيز ناميده مي شود.)
= گشتاور تبديل شده
= ثابت گشتاور (هم چنين حساسيت گشتاور نيز ناميده مي‌شود.)
= شار مغناطيسي تحريك PM
= طول موثر پشته آرميچر
p = تعداد جفت قطبها
N = تعداد دور هر فاز

K = فاكتور سيم پيچي
= ضريب زاويه موثر قطب . (موج مربعي)
= مقدار سطع بالا از جريان فاز
= ۹/۰ . . . . ۷/۰ (فاكتور شكل شار تحريك رتور)
= فاكتور عكس‌العمل‌ آرميچر ، محور d
= 95/0 . . . . . 6/0 براي حالت زير تحريك موتورها.
= ضريب كاربردي
f = فركانس ورودي
= چگالي شار مغناطيسي پس ماند
= نيروي اجبار كننده

D = قطر داخلي استاتور
= سرعت سنكرون
= مقدار پيك چگالي جريان خطا استاتور
= بازده
= ضريب زاويه قدرت
g = فاصله هوايي (فاصله مجاز بين رتور و استاتور)
h = وزن
= نفوذپذيري پسرفت وابسته

تعيين معادلات
ولتاژ ترمينال موتور را براي يك معكوس كننده پل سه فاز كامل با شش سويچ و اتصال Y موتور به صورت زير مي توان بيان كرد:
(۱)
با فرض اينكه سوئيچها ايده‌آل‌اند و EMF بين فازهاي هدايت كننده ثابت است (EMF ذوزنقه‌اي)، جريان لحظه‌اي آرميچر را مي توان بصورت زير نوشت:
(۲)
ما مي توانيم EMF را بسادگي بعنوان تابعي از سرعت رتور بيان كنيم:
(۳)
معادله گشتاور شبيه به يك موتور DC كموتاتوردار كار است كه مي تواند نوشته شود:

گشتاور متوسط تبديل شده مي تواند ماكزيمم شود و ريپل گشتاور مي تواند مي نيمم گرد، اگر شكل مربع EMF بصورت ذوزنقه‌اي باشد. با سوئيچينگ ما سفتها و IGBT ها بگونه‌‌اي كه همواره دو فاز سيم پيچي بصورت سري با يكديگر در تمام طول دوره ْ۶۰ رسانايي به هم متصل باشند، مي توان شكل موج ذوزنقه‌اي را بدست آورد.
بعلاوه ، شكل بندي مناسب و مغناطيس كردن آهنرباي دايمي (PMs) و سيم‌پيچهاي استاتور عوامل مهمي در بدست آوردن شكل موج ذوزنقه‌اي مي باشند. بواسطه تلورانس ساخت، واكنشهاي آرميچر و ديگر اثرات مزاحم ، شكل مربع EMF هر گز بصورت تخت نخواهد شد. اما مي‌توان ريپل گشتاور را زير %۱۰ نگاه داشت.
شيوه اندازه‌گيري و ابعاد موتور
حجم همه PM هاي بكار رفته در موتور را مي توان بصورت بيان نمود. كه در آن p تعداد قطبهاست و L,W,h ارتفاع و عرض و طول PM مي باشند. توان خروجي يك ماشين PM متناسب است با حجم و كيفيت PM و توان الكترومغناطيسي ماكزيمم را كه به وسيله ماشين PM تبديل مي شود را مي توان بصورت زير بيان نمود (با استفاده از دياگرام عملكرد ماده PM بكار رفته)
(۵)
توان الكترومغناطيسي كه از شكاف هوايي عبور مي‌كند عبارت است از :
(۶)
و ضريب توان خروجي:
(۷)
چگالي شار مغناطيسي شكاف هوايي عبارت است از:
(۸)
شيوه‌ اندازه‌گيري چگالي شار براي ماشينهاي مغناطيس دايمي از ماده NdfeB ساخته شده باشند در ابتدا مي تواند با رابطه تخمين زده شود. هم چنين چگالي شار مغناطيسي مي تواند بر مبناي رابطه
(۹)
تخمين زده شود.

يك انتخاب آزاد در طول موثر پشته آرميچر وجود دارد. يعني نرخ وابسته به عملكرد موتور مي‌باشد. توصيه شده كه براي ماشينهاي PM كوچك شكاف هوايي بين ۰٫۳ تا ۱۰۰ mm در نظر گرفته بشود. شكاف هوايي كوچكتر ، جريان راه انداز كوچكتري را مي‌طلبد. اما شكاف هوايي كوچك‌تر منتج به افزايش اثر عكس‌العمل آرميچر و گشتاور نامطلوب (ريپل دار) مي‌گردد. موتورهاي DC بدون جاروبك مغناطيس دايم بصورت برتري داراي رتورهاي با مغناطيس‌هاي چسبيده شده در سطح، با ضريب موثر زاويه قطب بزرگ مي باشند. براي يك توزيع مستطيلي ايده‌ال از چگالي شار مغناطيس شكاف هوايي = ثابت در محدودة كه گام قطب است كه از صفر تا ْ۱۸۰ مي تواند باشد:
(۱۰)

با در نظر گرفتن عرض كفشك قطب و يك شار حاشيه‌اي، EMF موثر در توان الكترومغناطيسي عبارت است از:
(۱۱)
گشتاور الكتريكي مغناطيسي توليدي بوسيله موتور عبارت است از :
(۱۲)
ملاحظات طراحي
چگالي توان و چگالي گشتاور براي تعيين كردن اينكه چگونه بهترين مواد فعال براي يك موتور BLDC به كار بروند، اندازه‌گيري مي‌شوند. آهنرباهاي NdFeB بالاترين چگالي انرژي را با هزينه قابل قبولي عرضه مي ‌دارد.. ايراد بزرگ آنها در مقايسه با SMCO خاصيت گرمايي آنها است. وقتيكه مغناطيسهاي NdFeB به كار مي‌‌برند، اندازه‌گيري مي‌شوند. آهنرباي NdFeB بالاترين چگالي انرژي را با هزينه قابل قبولي عرضه مي دارد . وقتي كه مغناطيسهاي NdFeB به كار مي‌روند، درجه حرارت بايد زير c ْ۱۶۰ تا cْ۲۵۰ حفظ گردد. چون اتلاف حرارتي رتور كم است براي آن خنك سازي پسيو (غيرفعال) بكار برده مي‌شود. ابعاد اصلي (قطر دروني استاتور و طول موثر هسته) براي BLDC ها بوسيله توان خروجي اندازه‌گيري شده، چگالي شار مغناطيسي شكاف هوايي و جريان خط آرميچر همانطور يكه قبلاً توضيح داده شد تعيين مي گردد.

شكل ۳ : شكل هندسي موتور طراحي شده (PM BLDC)
آناليز بروش عنصر محدود

طراحي بالا با استفاده از بسته نرم افزاري آناليز شده بود و راه حل‌هاي گوناگون در بخشهاي بعدي ارائه مي‌گردند، نرم افزار فوق شبكه اوليه را توليد كرده و سپس آنرا بصورت موردي پالايش و تجزيه و تحليل مي كنند. نماي بزرگ شده شبكه نهايي در شكل ۴ نشان داده شده است.

شكل ۴: نماي بزرگ شده شبكه نهايي با استفاده از
راه‌حلهايي كه براي گشتاور بدست آمده بود با ويژگيها و خصوصيات طراحي مقايسه گرديد.
گشتاور طراحي و گشتاور بدست آمده با آناليز FE بسيار بيكديگر نزديك هستند كه با يكديگر يكي مي شدند، بطوريكه طراحي را بصورت عيني تقويت مي كند. هم چنين تأثيرات تجربي تير اين گزارش را در بر مي‌‌گيرند.
شكل ۵ راه حلي براي گشتاور را كه مبتني بر آناليز FE است براي طراحي مطلوب موتور بما نشان مي دهد توزيع خطوط شار و چگالي شار در شكلهاي ۶ و ۷ نشان داده شده است.

شكل ۵: گشتاور مبناي آناليز FE با بكار بردن

شكل ۷: توزيع خطوط شار (موتور طراحي شده)
پارامترهاي طراحي انتخاب شده همانطوري كه در بالا شرح داده شد مبتني بر روي تحليلي است. طراحي با استفاده از بسته نرم‌افزاري و آناليز FE توصيف گرديده است. نتايج روش تحليلي و آناليز FE بر هم منطبق مي‌شوند بطوريكه خيلي به هم نزديك گردند. بنابراين اين مي تواند آنقدر طراحي را توانا بسازد كه عملي بهينه را عرضه نمايد، بطوريكه نه تنها تجهيزات مورد نياز كم گردند، بلكه عملكرد بهتري را نيز تحويل بدهد. نتايج آزمايشگاهي اين بحث را نيز تأييد مي‌نمايند. اشكال شماره ۸ تا ۱۰ محصول نهايي يعني موتور توليد شده را نشان مي‌دهند.

شكل ۸: رتور با مغناطيس دايم BLDC موتور

شكل ۹: استاتور BLDC موتور

شكل ۱۰: روتور و استاتور BLDC موتور
مقايسه BLDC موتورها با موتورهاي DC و AC
موتورهاي بون جارو بك با مغناطيس دايمي در برگيرنده همان مشخصه‌هاي گشتاور سرعت و قوانين عملكرد پايه موتورهاي DC است. تفاوت اصلي آنها با موتورهاي DC در آنست كه در اينجا سيم پيچي رتور با مواد مغناطيسي دايم جايگزين شده است و فرآيند يكسوسازي بصورت الكترونيكي انجام مي گيرد.
با بكار بردن PM و حذف كردن جاروبكها مزيتهاي خاصي را بصورت زير دربر دارد:
كنترل كردن گشتاور با عملكرد بالا
ريپل كم گشتاور خروجي
تواندهي بالا نسبت به وزن موتور
عمر بالا
نويز پايين و EMI پايين
تبادل حرارت بهتر
هزينه نگهداري پايين
سرعت بسيار بالا

موتورهاي DC از راندمان بالايي برخوردارند و بخاطر همين مشخصه برجسته‌شان است كه مي توان از آنها بعنوان سر و موتور استفاده نمود. تنها عيب آنها نياز به جاروبك و كموتاتوري است كه دايم در حال فرسايش مي باشند و هزينه تعمير و نگهداري آنها زياد است.
در موتورهاي dc معمولي آرميچر بر روي رتور و ميدان بر روي استاتور واقع شده است. در حاليكه در موتورهاي بدون جارو بك اينگونه نمي‌باشد. بلكه ساختمان اين موتورها شباهت زيادي به موتورهاي AC سنكرون دارد. يعني آرميچر آنها بر روي استاتور و ميدان از دو يا چند آهنربا كه بر روي رتور واقع مي‌شوند تشكيل مي شود. از جمله شباهتهاي اين موتورها با موتورهاي AC سيم بندي آرميچر آن است كه بصورت توزيع شده و چند فاز مي ‌باشد كه به منظور يكنواخت كردن حركت موتور بكار مي رود. و بالطبع تعداد شيارهاي موتور افزايش خواهد يافت.
از جمله تفاوتهاي آنها با موتورهاي AC مي توان بطرز تعيين وضعيت رتور اشاره نمود. كه براي اين منظور در اين موتورها از كليه هاي الكترونيكي استفاده مي‌شود كه سيگنالهاي تعيين وضعيت رتور را توليد مي كنند در حاليكه در موتورهاي AC اينگونه نيست.

جدول۳- مقايسه موتورهاي DC معمولي و بدون جاروبك
موضوع موتورهاي DC معمولي BLDC موتور
ساختمان مكانيكي ميدان مغناطيسي بر روي استاتور ميدان مغناطيسي همانند موتور AC سنكرون روي رتور
مشخصات – برجسته پاسخ سريع و قابليت كنترل بالا عمر زياد، سادگي تعميرات و نگهداري
اتصال سيم پيچها اتصال حلقوي- از سيم پيچهاي توزيع شده در آن استفاده نمي شود چون باعث افزايش اند و كتانس و ايجاد جرقه بزرگتر و هم چنين لرزش بالاتر از آنها خواهد شد. نوع پيشرفته: اتصال بصورت سه فازه

نوع معمولي : اتصال بصورت سه فازه با نقطه صفر
نوع ساده : اتصال بصورت دو فازه با نقطه صفر
روش ارتباط تماس مكانيكي بين جاروبك و كموتاتور كليدهاي الكترونيكي با استفاده از ترانزيستور
روش آشكار سازي موقعيت رتور بصورت اتوماتيك توسط جاروبك قابل آشكار شدن است. عناصر هال، رمزگشاي دورني و غيره
روش تغيير جهت سرعت توسط معكوس نمودن ولتاژ ترمينال توسط مدارات ترتيبي ديجيتال

فصل دوم

توصيف سيستمهاي تحريك براي BLDC موتور:
سيستم تحريك ما از سه برد اصلي تشكيل مي‌شود:
۱- مبدل AC/DC بوست با تصحيح ضريب توان
۲- كنترلر BLDC موتور با دارا بودن خاصيت حلقه بسته
۳- مدار معكوس كننده سه فاز دو قطبي

ابزارهاي كمكي براي اطمينان از قابل اعتماد بودن و عملكرد موثر و كامل تحريك اضافه مي‌گردند. نظير حفاظت در برابر جريان زياد، قفل ولتاژ پايين، يك عايق بندي كامل بين مدار كنترل و جهت ولتاژ بالاي معكوس كننده و زمين كرده همه قسمتهاي فلزي كه به مدار فعال (زنده) متعلق نميباشند. طرح درايو PMBLDC در شكل ۱۱ نشان داده شده است.

شكل ۱۱: بلوك دياگرام درايو BLDC با مغناطيس دايم
مبدل بوست AC/DC (توليد ولتاژ بالاي DC جهت تغذيه اينورتر)
براي رسيدن به سرعت بالاي مطلوب موتور (۵۰۰۰rpm) و طبق عامل حساسيت ennf برگشتي ولتاژ DC براي تغذيه معكوس كننده بايد در ثابت شود. براي بدست آوردن اين ولتاژ DC بالا از مبناي همراه با عامل توان بالا و اعوجاج هارمونيك منبع جريان پايين (TMD) ، مبدل بوست بكار برده مي‌شود. مبدل بوست در هر وضعيت شرطي، بي وقفه كار مي كند. (CCM) كه انتخابي عالي را براي بدست آوردن ولتاژ DC مطلوب با فاكتور توان بالا و شكل موج جريان ورودي نزديك و شبيه به سينوسي را عرضه مي‌كند. همانطوري كه در شكل نشان داده شده است، مبدل بوست، يك مبدل پل، يك سلف، يك ما سفت، يك ديود سويچينگ سريع و يك خازن بزرگ را دارا مي‌باشد. اضافه كردن فيلتر EMI در ورودي سبب كاستي EMI خواهد شد.

شكل ۱۲: دياگرام مدار مبدل بوست
براي اينكه مبدل بوست براحتي كنترل شود، Ncp 1650 IC مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين IC جديد يك IC پيشرفته براي تصحيح فاكتور توان است. كه مي‌تواند فراتر از محدوده پهناي ولتاژ ورودي و سطوح توان خارجي عمل نمايد. اين مدار براي كار در روي سيستمهاي توان ۵۰/۶۰ HZ طراحي گرديده است. اين كنترلر براي اطمينان از ايمن بودن و قابل اعتماد بودن كاركرد تحت هر شرايط چندين روش حفاظت متفاوت را عرضه مي‌كند.

PWM يك كنترلر با فركانس ثابت، حالت جريان متوسط با تجهيزات تكميلي وسيع مي‌باشد. اين تجهيزات و ويژگيها هم قابليت انعطاف پذيري و هم قابليت ظريف كاري را بخوبي در كاربردهايشان در يك مدار عرضه مي‌دارند. اجزاء بحراني مدار داخلي با دقت بالايي طراحي شده‌اند بطوريكه قابليت عرضه توان صحيح و محدودسازي جريان را داشته باشند. بنابراين مي نيمم كردن مقدار طراحي خيلي بالا براي اجزاء طبقه‌ توان ضروري بنظر مي‌رسد Ncp 1650 براي مداري با توان محدود، بطور صحيح طراحي مي گردد، كه حتي در وضعيت توان ثابت، فاكتور توان را بطور عالي حفاظت خواهد نمود. هم چنين ابزاري را دارا مي‌باشد كه براي جريانهاي بار در حال تغيير و ولتاژهاي خط پاسخ گذاري سريع ايجاد كند. تمام ابزار و ويژگيهايي را كه كنترلر بكار مي برد مي‌توان بصورت زير جمع‌بندي نمود:

عملكرد فركانس ثابت
عملكرد بصورت پيوسته يا غير پيوسته
مدار محدودسازي توان صحيح
قفل حداقل ولتاژ
ميزان شيب كه بر دقت نوسانساز تأثيري ندارد.
حالت جريان متوسط PWM
حالت جبران گذاري بار/ خطا بصورت سريع
چند برابر كننده و با دقت بالا.

مقايسه گر حد ولتاژ بالا.
عملكرد از ۲۵ تا ۲۵۰ كيلو هرتز
ويژگيها و ابزار حفاظتي عبارتند از:
حفاظت اور شوت ولتاژ خارجي
حفاظت ورودي خط پايين
حد جريان آني
حد جريان فركانس خط
حد توان ماكزيمم

شكل ۱۳: بلوك دياگرام ساده شده NCP1650
در حقيقت اين IC وظيفه توليد پالس و كنترل پايه گيت ماسفت بكار رفته در مبدل بوست را بر عهده دارد.

جدول۴- نحوه عملكرد و توصيف پايه هاي IC را بيان مي‌كند.
توضيحات
تابع عملكرد شماره پايه
تغذيه قطعه را فراهم مي‌سازد، اين پايه، ولتاژ حداقل را نيز نمايش داده و اگر ولتاژ در محدودة Uvlo نباشد، قطعه كار نخواهد كرد.
۱
خروجي مرجع تنظيم شده ۷ ۲۵/۶ است. موقعيكه چيپ در وضعيت خاموش باشد، اين ولتاژ مرجع غيرفعال مي‌گردد.
۲
براي تقويت كننده مرجع ac قطب فراهم ميسازد. اين تقويت كننده جمع ولتاژ ورودي ac و جزء فركانس پايين جريان ورودي را با سيگنال مرجع مقايسه مي نمايد. پاسخ بايد به اندازه كافي كند باشد تا اكثر فركانسهاي بالا را از سيگنال جريان فيلتر كرده يعني آنهايي را كه از تقويت كننده جريان تزريق گرديده اما به اندازه كافي سريع باشد تا اطلاعات فركانس خطا حداقل را انحراف پيدا كند. جبران
AC 3

اين پايه يك خازن را با زمين براي فيلتر كردن و پايداري تقويت كننده خطاي ac سازگار مي نمايد. تقويت كننده‌هاي خطاي ac يك تقويت كننده ابر رسانا بوده و به يك بار امپدانس بالاي داخلي منتهي مي گردد. فيلتر مرجع ۴
موج سينوسي ac ورودي يكسو شده به اين پايه متصل مي گردد . اين اطلاعات براي مقايسه كننده مرجع ، مدار توان ماكزيمم و مدار جريان متوسط بكار مي‌شود. ورودي AC 5
توضيحات
تابع عملكرد شماره پايه
خروجي DC مبدل از طريق يك تقسيم كننده ولتاژ مقاومتي به يك سطح ۴v كاهش يافته و براي مهيا ساختن فيدبك براي حلقه تنظيم ولتاژ به اين پايه متصل مي‌گردد. هم چنين موقعيكه ولتاژ خروجي تقسيم شده از v 75/0 فراتر رود اين پين با غيرفعال كردن چيپ يك ابزار قفل ولتاژ پايين را مهيا مي سازد. اين پايه بعنوان پايه خاموش كننده نيز مي تواند بكار برده شود. با يك مقايسه كننده كلكتور باز يا يك ترانزسيتور سيگنال كوچك آنرا بزمين متصل كرده و بعنوان خاموش كننده بكار ببريد. فيدبك/ خاموش ۶
يك شبكه جبرانساز براي لوپ تنظيم ولتاژ به خروجي تقويت كننده خطاي ولتاژ در اين پايه متصل شده است. جبران لوپ ۷

يك شبكه حيران براي لوپ تغذيه به خروجي تقويت كننده و خطاي تغذيه در اين پايه متصل گرديده است. جبران تغذيه ۸
اين پايه به خروجي چند برابر كننده توان اجازه مي دهد براي سطح محدود توان ماكزيمم مطلوب مقياس بندي شود. اين چند برابر كننده يك طراحي سوئيچينگ مناسب و مورد نياز براي هر دو مقاومت و خازن متصل بزمين مي‌باشد. مقدار اين مقاومت در اتصال با مشخص مي‌شود. توان حداكثر ۹
توضيحات

تابع عملكرد شماره پايه
يك مقاومت خارجي با يك ضريب حرارتي پايين از اين ترمينال بزمين متصل مي‌گردد تا بهره جريان خروجي تقويت كنده تنظيم و پايا گردد. بطوريكه چند برابر كننده‌هاي توان و تقويت كننده خطاي ac را تحريك نمايد اين مقاومت بايد شبيه نوعي باشد كه در مورد پايه ۹ بكار گرفته شده مقدار اين مقاومت حداكثر جريان متوسط را مشخص خواهد نمود كه قبل از اينكه عمل محدود سازي انجام شود اجازه اين كار را خواهد داد. جريان متوسط ۱۰
خازني كه متصل به اين پين است اجزاء فركانس بالا را از شكل موج جريان آني فيلتر نموده تا شكل موجي شبيه جريان خطا متوسط خلق گردد. جريان متوسط فيلتر ۱۱
ورودي ح

س شده جريان منفي براي اتصال به جهت منفي مدار فرعي جريان طراحي شده است.
۱۲
اين پايه مدار جبران شيب را با ياس مي كند تا مقدار جبران تنظيم گردد كه به جريان آني و خروجيهاي تقويت كننده خطاي ac اضافه شده است. جبران شيب ۱۳
خازن زمان سنجي براي نوسان از ورودي اين خازن فركانسي و نوسانساز را تنظيم مي كند خازن زماني سنج CT 14
مرجع زمين براي مدار Cnd زمين ۱۵
تغذيه FET يا IGBT خروجي را بر عهده دارد. براي قطعات كوچك قادر به تحريك بوده يا مي تواند براي ترانزيستورهاي بزرگتر به يك تحريك كننده خارجي متصل گردد. تحريك خروجي ۱۶

كنترلر موتور DC بدون جاروبك MC 33035 , NCV 33035

MC 330.5 يك كنترلر موتور ساده بدون جاروبك يكپارچه نسل دوم با عملكرد بالاست كه حاوي تمام عملكردهاي فعالي مورد نياز براي تحقق يك سيستم كنترل موتور سه يا چهار فازي مدار باز كامل مي باشد. اين وسيله از اجزاي زير تشكيل شده است: يك دكدر وضعيت رتور براي ترتيب يكسوسازي مناسب، مرجع متعادل كننده و با قابليت تامين توان براي حسگر، نوسانگر دندانه‌ اره‌اي قابل برنامه‌ريزي فركانس ، سه محركه فوقاني كلكتور باز و سه محركه تحتاني توتم پل جريان بالا، مناسب براي تحريك ما سفتهاي قدرت.

هم چنين ويژگيهاي محافظتي نظير قفل ولتاژ پايين، محدوديت جريان سيكل به سيكل با يك حالت خاموشي قفل شده قابل انتخاب با تأخير زماني، خاموشي حرارتي داخل و يك خروجي خطا منحصر بفرد كه مي تواند در سيستمهاي كنترل شونده با ريزپردازنده به صورت رابطه قرار داده شود، گنجانده شده اند.
نمونه‌اي از عملكرد هاي كنترل موتور عبارتند از: سرعت مدار باز جهت حركت مستقيم يا معكوس، فعال‌سازي چرخش موتور، ترمز كردن ديناميكي، mc33035 براي كار با تغيير فازهاي سنسور الكتريكي از ْ۳۰۰/ْ۶۰ يا ْ۲۴۰/ْ۱۲۰ طراحي شده است و هم چنين مي تواند موتورهاي DC جاروبكدار را بطرز موثري كنترل نمايد.