Nykyaikaiset kolmivaiheiset harjattomat vaihtovirtamoottorit (kuten PMSM - kestomagneettisynkronimoottorit, joita käytetään laajasti sähköautoissa ja korkealuokkaisissa kodinkoneissa) käyttävät kolmivaiheista puolisilta-invertteripiiriä johtamaan kolmivaiheista sinimuotoista vaihtovirtaa staattorikäämityksiin. Tämä luo tasaisesti pyörivän magneettikentän, joka vetää kestomagneettiroottorin tasaisen tehokkaaseen ja synkroniseen pyörimisliikkeeseen.
Staattorissa on kolme vaihekäämiä (A, B, C), jotka on jaettu fyysisesti symmetrisesti 120 asteen välein. Kun näihin avaruudellisesti erotettuihin käämeihin syötetään kolmivaiheista vaihtovirtaa, jossa on ajallinen vaihe-ero, niiden tuottamat magneettikentät yhdistyvät yhdeksi pyöriväksi magneettikentäksi!
Harjattomissa moottoreissa ei ole fyysisiä harjoja; niiden kommutointi perustuu täysin elektroniseen invertteriin. Piiri koostuu kuudesta MOSFET-transistorista (ylä- ja alasivun kytkimet kullekin vaiheelle A, B ja C). Mikro-ohjain (MCU) ohjaa niiden kytkentäsekvenssejä muuntaen tasajännitteen vaihteleviksi kolmivaihevirroiksi käämien läpi.
Invertteri ohjaa virran suuntaa ja voimakkuutta siten, että staattorin yhdistetty magneettinen napatila pyörii nopeasti moottorin keskellä kuin näkymätön "liikennevalo". Kestomagneettiroottori (S/N) tuntee voimakkaan vetovoiman ja seuraa magneettikenttää täydellisesti synkronoituna saavuttaen suuren ja tasaisen pyörimisnopeuden.
Harjattomia AC-moottoreita ohjataan yleensä kolmivaiheisella täyssilta-invertterillä. Vasen paneeli näyttää moottorin poikkileikkauksen ja magneettivuon linjat (kolme napaa A, B ja C; punainen osoittaa sisään tulevaa virtaa, joka synnyttää N-navan, sininen osoittaa ulos menevää virtaa, joka synnyttää S-navan). Oikea paneeli näyttää kuuden MOSFETin kolmivaiheisen invertterisilta-piirin johtavuustilat. Kytkemällä ylä- ja alasivun kytkimiä virta virtaa tiettyihin käämeihin ja ulos toisista. Tämä saa synnytetyn magneettikentän pyörimään 60 asteen (6-vaiheinen kanttiaaltotila) tai 30 asteen (12-vaiheinen vektoriohjaustila) askelin vetäen roottorin nopeaan pyörimisliikkeeseen.
Ladataan...
| Vaihe | Syntyvä kulma | Vaiheen A silta (AH / AL) | Vaiheen B silta (BH / BL) | Vaiheen C silta (CH / CL) | Käämityksen virtaussuunta | Staattorin magneettinapa |
|---|
Tasavirta- ja vaihtovirtamoottoreiden perustavanlaatuiset erot liittyvät niiden syöttövirran tyyppiin, magneettikentän luomismekanismiin, kommutointijärjestelmään sekä ohjaustapoihin:
DC-moottoreita syötetään jatkuvalla tasavirralla (DC). Nopeudensäätö saavutetaan yleensä muuttamalla tasajännitettä, mikä vaatii yksinkertaisen ohjauspiirin. AC-moottoreita syötetään vaihtovirralla (AC), jonka voimakkuus ja suunta vaihtelevat syklisesti. Nopeudensäätö saavutetaan pääasiassa vaihtamalla vaihtovirran taajuutta (taajuusmuuttajaohjaus).
Perinteiset harjalliset DC-moottorit luottavat kuparisiin kommutaattoreihin ja hiiliharjoihin mekaanisessa kommutoinnissa. Sitä vastoin harjattomissa AC-moottoreissa (kuten PMSM-moottoreissa) ei ole harjoja. Ne käyttävät edistyksellisten algoritmien ohjaamia elektronisia inverttereitä (kuten tässä esiteltyä kolmivaiheista siltapiiriä) kytkemään MOSFET-transistoreja ja syöttämään jatkuvaa kolmivaiheista sinimuotoista vaihtovirtaa käämityksiin.
Se, kumpi moottori on "parempi", riippuu käyttökohteesta, mutta hyötysuhteen ja suorituskyvyn kannalta nykyaikaiset kolmivaiheiset harjattomat AC-moottorit (PMSM) ovat ensiluokkainen valinta:
Nykyaikaiset sähköautot (kuten Tesla) ja korkealuokkaiset invertterikodinkoneet käyttävät laajasti kolmivaiheisia PMSM-moottoreita. Lämpöä tuottavat käämit sijaitsevat staattorissa (mikä mahdollistaa suoran lämmönpoiston ulkokuoren läpi), kun taas roottori koostuu tehokkaista kestomagneeteista. Koska harjojen kitkasta tai kipinöinnistä ei aiheudu energiahäviöitä, hyötysuhde yltää 90 %–96 %:iin ja pysyy korkeana laajalla nopeusalueella.
Harjalliset moottorit kärsivät hiiliharjojen ja pyörivän kommutaattorin välisestä jatkuvasta kosketuksesta aiheutuvasta kitkahäviöstä (mekaaninen kuluminen ja lämpö) sekä kommutointikipinöinnistä. Tämä energia menee hukkaan lämpönä ja kipinöinä. Lisäksi pyörivät roottorikäämit tuottavat runsaasti lämpöä, jota on vaikea haihduttaa, mikä heikentää moottorin kokonaishyötysuhdetta.
Harjattomien ja harjallisten moottoreiden ydinero piilee niiden kommutointitavoissa sekä siitä johtuvissa fyysisissä rakenteissa ja toimintaominaisuuksissa:
| Ulottuvuus | Harjallinen moottori | Harjaton moottori |
|---|---|---|
| Kommutointimekanismi | Perustuu fyysiseen kosketukseen ja kitkaan harjojen + kommutaattorin välillä virran suunnan vaihtamiseksi automaattisesti. | Perustuu invertterisiltaan + mikro-ohjaimeen (MCU) elektronista, kosketuksetonta kommutointia varten. |
| Elinikä & huolto | Lyhyempi käyttöikä (yleensä satoja tunteja). Harjat kuluvat ja ne on vaihdettava säännöllisesti. | Erittäin pitkä käyttöikä (rajoittuu lähinnä laakereiden kulumiseen, jopa kymmeniä tuhansia tunteja). Huoltovapaa. |
| Melu & sähkömagneettiset häiriöt | Korkea mekaaninen melu kitkan vuoksi. Harjojen kipinöinti aiheuttaa voimakkaita sähkömagneettisia häiriöitä (EMI). | Ei kipinöintiä eikä kitkaa. Erittäin hiljainen toiminta ja erinomainen sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC). |
| Ohjauksen monimutkaisuus & kustannus | Erittäin yksinkertainen; toimii suoraan virtalähteeseen kytkettynä. Alhaiset järjestelmäkustannukset. | Vaatii erillisen harjattoman ohjaimen (ESC/invertteri), mikä nostaa järjestelmän kokonaiskustannuksia. |