مقدمه
امروزه کاربرد وسیع موتورهای الکتریکی در بخشهای مختلف و در زندگی روزمره در مصارف خانگی و مصارف صنعتی آنچنان وسعت یافته که تصور دنیای موجود بدون موتورهای الکتریکی اگر نگوییم غیر ممکن باید گفت غیر قبل تصور می‌باشد. پس از طراحی و ساخت اولین نمونه ماشین الکتریکی توسط ارستد این ماشینها تغییر و تحولات بزرگی را در دهه‌های اخیر پذیرا بوده‌اند جهت گیری عمومی این تغییرات افزایش راندمان و بهبود کیفیت کار ماشین همراه با کاهش وزن و حجم و قیمت تمام شده بوده است. گر چه تجمع تمامی این مولفه‌ها همیشه در یک طرح ممکن نیست اما طراحان ماشینهای الکتریکی بر اساس تجربه دانش و هنر خویش همیشه سعی در تلفیق آنها نموده‌اند.

تحقیق فوق در رابطه کنترل دور موتورهای DC بدون جاروبک بوده که شامل دو بخش طراحی و کنترل می‌باشد. که در بخش طراحی به نحوه طراحی بکمک نرم افزار و روابط و فرمولهای حاصله برای توان و گشتاور اشاره شده و در بخش کنترل نحوه کنترل دور موتور بکمک تراشته‌های MC33035 و MC33039 بیان گردیده است. و مدارات و عناصر مرتبط با تراشه‌های کنترلی نیز آورده شده است.
در پایان جا دارد از زحمات و راهنماییهای استاد ارجمند جناب مهندس لنگری کمال تشکر را داشته باشم. هم چنین از پدر و مادر عزیزم و برادرانم که در طی این مدت با صبر و تحمل و راهنماییهای دلسوزانه خویش همواره مشوق من بودند سپاسگزارم.

مواد آهنربای دائم
آهنرباهای دائم ممکن است در ماشینهای الکتریکی برای ایجاد تحریک، تولید خواص مشابه الکترومغناطیسهای تحریک شده با جریان مستقیم، مورد استفاده قرار گیرند. یک آهنربای دائم مفید می‌باشد زیرا انرژی مغناطیسی را ذخیره می‌کند و این انرژی صرف عملکرد وسیله نمی‌گردد. نقشی را که این انرژی ایفا می‌کند قابل مقایسه با یک کاتالیزور در یک واکنش شیمیایی است. هنگام کار در محدوده طبیعی، آهنربا انرژی‌اش را برای یک دوره نامحدود از زمان حفظ می‌کند. باید توجه نمود که اگر میدان مغناطیسی با استفاده از آهنربای الکتریکی به جای آهنربای دائم ایجاد شود، انرژی میدان تحریک همچنان باقی می‌ماند. با این حال قدری انرژی، یعنی تلفات اهمی جریان تحریک، از بین خواهد رفت.

اصول آهنربای دائم

آهنرباهای دائم، همانطور که در شکل نشان داده شده، مواد مغناطیسی سخت با حلقه‌های هیسترزیس بزرگ می‌باشند. زمانی که یک ماده آهنربا در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد (بدین معنی که در میان قطبهای مغناطیسی یک آهنربای الکتریکی قرار گیرد)، چگالی شار در ماده همانطور که منحنی ۰-۱ در شکل۱ نشان می‌دهد افزایش خواهد یافت، که به عنوان، منحنی شروع مغناطیس شدن، شناخته می‌شود. در نقطه ۱ ماده اشباع می‌شود، و افزایش خواهد یافت، که به عنوان منحنی شروع مغناطیس شدن، شناخته می‌شود. در نقطه ۱ ماده اشباع می‌شود، و افزایش مجددی به صورت پیشروی حاشیه‌ای و در لبه منحنی، در شدت میدان مغناطیسی (H) و در چگالی شار (B) نتیجه می‌شود. چگالی شار در یک نسبت نزدیک به نفوذپذیری فضای آزاد افزایش می یابد.

شکل ۱: حلقه هیسترزیس آهنربای دائم
کاهش پایدار مغناطیسی، پس از رسیدن به اشباع، باعث می‌شود که مسیر خطی B-H ، منحنی ۱-۲ را تعقیب کند. مقدار چگالی شار در نقطه ۲ روی حلقه هیسترزیس (H=0) به عنوان چگالی شار باقیمانده یا پسماند ماده آهنربا شناخته شده، و نشان دهنده مقدار شار مغناطیسی است که ماده می تواند تولید کند.
معکوس شدن جهت و افزایش میدان مغناطیسی، حلقه هیسترزیس را در ربع دوم. یعنی منحنی ۲-۳ ایجاد خواهد کرد که به عنوان منحنی مغناطیس زدایی نرمال شناخته می‌شود و این قسمت مهمترین ناحیه مشخصه آهنربا می‌باشد. مقدار میدان مغناطیسی که در آن چگالی شار در آهنربا به صفر می‌رسد به عنوان پسماند زدایی یا نیروی پسماند زدا شناخته می شود.

افزایش مجدد میدان مغناطیسی، ماده آهنربا را در جهت معکوس به اشباع می‌برد (نقطه ۴ ). حلقه هیسترزیس با کاهش میدان مغناطیسی در نقطه ۵ به صفر می‌رسد و سپس با معکوس شدن دوباره میدان اعمال شده به پلاریته‌های اولیه و افزایش آن تا رسیدن به نقطه ۱، کامل می‌شود.
مقادیر چگالی شار به کار گرفته شده برای ترسیم حلقه هیسترزیس شکل ۱ چگالی شار کلی در ماده آهنربا را نشان می دهد. البته همه شار ماده آهنربا از خواص شار در فاصله هوایی وجود خواهد داشت. البته چگالی شار در یک فاصله هوایی که در معرض میدان مغناطیسی H قرار دارد، می‌باشد. در نتیجه چگالی شار کل (یا نرما) در ماده آهنربا (B) شامل دو مولفه است، یکی برابر می باشد (که به هر حال در هوا موجود است) و دیگری چگالی شار ذاتی است ( متعلق به قابلیت ذاتی ماده برای داشتن شار بیشتر نسبت به آنچه که در فاصله هوایی موجود است با شدت میدان اعمال شده H ). از لحاظ محاسباتی در ربع اول و چهارم، و در ربع دوم و سوم حلقه هیسترزیس می‌باشد، به طوری که H در ربع دوم و سوم یک علامت منفی دارد. نمودار برحسب H به عنوان حلقه هیسترزیس ذاتی ماده آهنربا معروف است. شکل۲ حلقه‌های هیسترزیس ذاتی و نرمال یک ماده آهنربا را نشان می‌دهد. در حال حاضر ما دو منحنی مغناطیس زدایی داریم: نرمان و ذاتی.

چگالی شار باقیمانده یا پسماند برای هر دو منحنی مغناطیس زدایی نرمال و ذاتی یکسان است. با این حال، پسماند زدایی آنها متفاوت می‌باشد. پسماندزدایی ذاتی ، ، بزرگتر از پسماند زدایی نرمال، است. اختلاف بین و به شیب منحنی مغناطیس زدایی در مجاورت بستگی دارد. هر چه شیب بیشتر باشد، اختلاف کمتر خواهد بود. شیب منحنی مغناطیس زدایی که از محور –H می‌گذرد برای آهنرباهای آلنیکو خیلی زیاد است و بنابراین بین پسماند زدایی نرمال و ذاتی اختلاف کمی وجود دارد. سرامیکها (یا فریتها) و آهنرباهای خاک کمیاب بین و مشخصات مغناطیس زدایی نرمال تقریباً خطی دارند و اختلاف بین و بیشتر است. در بعضی از آهنرباهای خاکی حدوداً دو برابر می‌باشد.

شکل ۲ حلقه‌های هیسترزیس ذاتی و نرمال یک ماده آهنربای دائم.
مواد آهنربای مدرن
مواد آهنربای دائم را بر طبق ترکیب شیمیایی شان می توان به سه گروه اصلی تقسیم نمود. این سه گروه شامل سرامیکها (یا فریتها)، آلنیکوها و آهنرباهای خاک کمیاب می‌شوند. در این میان فریتها (سرامیکها کاملاً مغناطیسی) عایقهای حرارتی و الکتریکی هستند در حالی که سایر آهنرباها، هادیهای فلزی می باشند. آلنیکوها پسماند نسبتاً زیاد و نیروی پسماند زدای کمی دارند، اما سرامیکها دارای پسماند کم و نیروی پسماند زادی نسبتاً زیادی می باشند، در حالی که در مورد آهنرباهای خاک کمیاب، هر دوی این پارامترها بزرگ می‌باشد. سرامیکها به عنوان مواد خام فراوان و خیلی ارزان مورد استفاده قرار می‌گیرند. آلنیکوها و آهنرباهای کابالت- خاک کمیاب (کبالت- ساماریوم) از کبالت اما با درصدهای مختلف استفاده می کنند، در حالی که در سرامیکها و آهنرباهای فریت- خاک کمیاب (آهنرباهای نئودیمیوم- آهن – بورون) اصلاً از کبالت استفاده نمی شود.

خصوصیات مواد آهنربای دائم تابع استاندارد بین المللی (۱۹۸۶) IEC 404-8-1 می‌‌باشند بر اساس استاندارد IEC 404-1 مواد آهنربای دائم با یک حرف که همراه آن چند عدد می آید، طبقه‌بندی می شوند. آهنرباهای آلیاژی با حرف R طبقه‌بندی می شوند، در حالی که سرامیکها با S مشخص می گردند. عدد اول نوع ماده را در کلاس مربوطه نشان می‌دهد. برای مثال R1 آهنرباهای آلنیکو را نشان می دهد و R5 گروه کبالت خاک کمیاب را مشخص می کند. عدد دوم از بین : (O) آهنرباهای همگرا، (۱) غیرهمگرا، (۳) پیوند پلیمر همگرا و (۴) پیوند پلیمر غیرهمگرا تعیین می شود. عدد سوم به انواع مختلف آهنربای مشابه در یک گروه مربوط می‌گردد.

خواص مغناطیسی
مناسب‌ترین پارامتر برای تعیین کیفیت آهنربا، انرژی ماکزیموم آن است که حاصل ضرب میدان مغناطیسی و القایی آهنربا می‌باشد، به طوری که این پارامتر بیانگر ماکزیمم انرژی است که می‌توان از آهنربا بدست آورد. وقتی که آهنربا در نقطه حاصل ضرب انرژی ماکزیموم خود کار می کند، ابعاد آن مینیموم می‌‌باشد.
بهترین آهنرباهای دائم با قابلیت کار بالا، مواد کبالت- خاک کمیاب (SmCo) بودند که دارای حاصل ضرب انرژی ماکزیمومی بین ۱۹۰-۱۳۰ بودند. در سال ۱۹۸۴ با ظهور ترکب نئودیمیوم – آهن- بورون بدون کبالت که حاصل ضرب انرژی ماکزیموم ۲۹۰ را داشت، این وضعیت تغییر یافت. سرعت گسترش و پیشرفت این ماده جدید در طول چند سال گذشته بسیار سریع بوده به طوری که هم اکنون این ماده در ابعاد تجاری از طریق تولید کنندگان آهنربا، قابل دسترسی است.
قیمت هر واحد انرژی
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 مغناطیسی مواد آهنربا
در جدول ۱ خواص مغناطیسی گروههای اصلی مواد آهنربا همراه با قیمت تقریبی هر واحد انرژی آنها، نشان داده شده است. هر گروه از مواد، خود دارای چندین درجه است، بنابراین محدوده وسیعی از حاصل ضرب انرژی ماکزیموم وجود خواهد داشت. پسماند و پسماند زدایی برای انواع گروههای به کار گرفته شده در ماشینهای الکتریکی، به صورت مقادیر متوسط داده شده است. خواص انواع مواد نئودیمیوم- آهن- بورون و سرامیکهای استحکام یافته با پلیمر و خانواده آلنیکو که قیمت انرژی پایینی دارند در این جدول مورد مقایسه قرار نگرفته اند.
باید توجه شود که قیمت یک آهنربای دائم عمدتاً به ابعاد، پیچیدگی ماشین کاری لازم بر روی آن ، و دقتهای مورد نیاز برای ابعاد و خواص مغناطیسی آهنربا بستگی دارد. بین انواع مواد در هر گروه نیز از نظر قیمت، تفاوتهایی وجود دارد. قیمت هر واحد انرژی که در جدول خواص مغناطیسی مواد آورده شده، در واقع قیمت متوسط می باشد و برای مقایسه‌های اولیه می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

خواص حرارتی
وقتی دما افزایش می‌یابد، خواص مغناطیسی قدری کاهش می یابد، که بخشی از آن برگشت پذیر و بخشی برگشت ناپذیر است. تغییرات برگشت پذیر در پسماند و نیروهای پسماند زدا معمولاً بر حسب درصد بر کلوین بیان شده که به ترتیب به کمک ضرایب حرارتی و نشان داده می‌شود. تغییرات برگشت ناپذیر توابعی از دما، نقطه کار آهنربا، و شدت میدان مغناطیس زدا می‌باشند. در جدول اثرات دما، دمای کوری (دمای لازم برای از بین بردن خاصیت آهنربایی)، ضرایب حرارتی، و بالاترین دمای پیشنهادی برای عملکرد گروههای اصلی مواد در هر گروه آهنربا، بدست آمده است. در دمای کوری ماده، هر گونه خاصیت مغناطیسی از بین خواهد رفت، و در دمای کمتر مغناطیس کنندگی مجدد مورد نیاز خواهد بود. اغلب مواد هم دارای دمای گذرایی هستند که در آن دما ساختار کریستالی ماده به گونه‌ای تغییر می یابد که خواص مغناطیسی سخت برای همیشه از بین می رود. بدیهی است که ماکزیموم دمای عملکرد ماده باید پایین‌تر از این دو مقدار دما تنظیم شود.

باید دقت شود که بعضی از انواع آهنرباهای Nd-Fe-B که در دماهای بالا رفتار نامطلوبی دارند، دارای ضرایب حرارتی زیاد برای نیروی پسماند زدا و نیز پسماند می‌باشند. این امر ماکزیموم دمای کاری را به حدود ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد محدود می‌کند.
دمای کوری

ماکزیموم دمای کاری
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
تأثیر آهنرباهای Nd-Fe-B روی طراحی موتور
مواد آهنربای دائم جدید بهبود یافته می‌توانند روی وسایل الکترومغناطیسی تأثیراتی را از طریق زیر داشته باشند:
۱- جایگزینی سایر مواد در برخی محصولات فعلی.
۲- جایگزینی آهنرباهای الکتریکی در برخی کاربردهای فعلی.
۳- تعیین کاربردهای تازه برای آهنرباهای دائم که قبلاً در این موارد از آهنرباهای دائم استفاده نمی شده است.

برای یک ماده جدید، جایگزینی سایر مواد آهنرباهای دائم از نظر موفقیت تجاری از اهمیت بسیاری برخوردار است. جایگزینی مستقیم در مواردی امکان پذیر است که منحنی‌های مغناطیس زدایی ماده جدید و ماده قدیمی موازی هم باشند، به طوری که بتوان خط کارکرد یکسانی را مورد استفاده قرار داد . به علت تشابه میان منحنی‌های مغناطیس‌زدایی Nd-Fe-B و آهنرباهای SmCo ، Nd-Fe-B ها در چندین مورد جایگزین SmCo ها شده‌اند. با این وجود، SmCo در موارادی که آهنربا در حین کار در معرض میدانهای مغناطیس زدای شدید و در دمای بالا قرار می‌گیرد. همچنان مورد استفاده واقع می شود.

در میان همه مواد آهنربای دائم، سرامیکها ارزان‌ترین انرژی مغناطیسی را عرضه می نماند. با این حال حتی آنها نیز در بسیاری از کاربردها که حجم و وزن کم مورد نیاز است، با آهنرباهای Nd-Fe-B جایگزین می‌شوند. علاوه بر این، مواد نئودیمیوم- آهن- بورون با انرژی زیادی که ایجاد می‌کند، امکان به کارگیری آهنرباهای کوچکتر را نیز فراهم می‌کنند. این مسئله موجب کاهش اندازه سایر اجزا، ماشین از قبیل قطعات آهن و سیم پیچی می‌شود، که ممکن است در مجموع، هزینه کمتر شود.
مواد نئودیمیوم – آهن- بورون با قیمتهای فعلی، انرژی مغناطیسی ارزانتری را نسبت به آلنیکوها آرائه می کنند و از این رو استفاده از النیکوها در موتورها، در حال کاهش است. با این وجود، آهنرباهای آلنیکو به علت خصوصیت ممتاز ضرایب حرارتی القایی پایین‌شان ، در وسایل اندازه‌گیری و سنجش مورد استفاده قرار می‌گیرند.

طراحی BLDC موتورها
یک شکل از طراحی کلاسیک را می توان با کمک مثالی از یک بالن شرح داد. چنانچه قسمتی از یک بالن را فشار بدهید باعث برآمده شدن قسمت دیگر آن می‌گردد. این از وظایف یک مهندس طراح است که بداند کجا را فشار داده و اثر برآمده شدن را باید در کجا مشاهده نماید. یکی از متداول‌ترین روشهای طراحی شامل تصمیماتی است که که توسط طراح گرفته می‌شود. که مبتنی بر علم و تجربه است. امروزه تمایل به طراحی با استفاده از بسته‌های نرم افزاری که عناصر کم و مدرنی آنها را تشکیل داده است، بعنوان مثال ماگست، ماگسافت موتور- کد، ANSYS ، Magnet، Elux وخیلیهای دیگر رو به فزونی گذاشته شده است. طراحی ما در اینجا توسط آزمایشات ، تجربه‌‌ها آنالیزهایی که مبتنی بر آنالیز FE با استفاده از بسته نرم اقراری Maxwell 2 D می باشد، بشدت تأثیر پذیر خواهد بود.

موضوع مورد بحث ما در واقع طراحی یک موتور است، بطوریکه نه تنها به تجهیزات رقابتی انرژی ۲۰۰۳ دست یابیم بلکه در عمل تیر به نتایج خوبی دست پیدا کنیم. در ادامه بحث فرآیند طراحی از نظر جزئیات شرح داده می شود و در نهایت تأثیر پارامترهای طراحی که مبتنی بر آنالیز FE و نتایج آزمایشگاهی و تجربی می‌باشد، ارائه خواهد شد.
سمبلها:

= ولتاژ DC ورودی به معکوس کننده
= بین فازهای در حال هدایت موتور.
R = مقاومت آرمیچر هر فاز
= جریان لحظه‌ای آرمیچر.
L = اندوکتانس هر فاز
= جریان اولیه آرمیچر در لحظه T=0
n = سرعت رتور

= ثابت برای PM = ثابت EMF برگشتی (همچنین ثابت آرمیچر یا ثابت ولتاژ تیز نامیده می شود.)
= گشتاور تبدیل شده
= ثابت گشتاور (هم چنین حساسیت گشتاور نیز نامیده می‌شود.)
= شار مغناطیسی تحریک PM
= طول موثر پشته آرمیچر
p = تعداد جفت قطبها
N = تعداد دور هر فاز

K = فاکتور سیم پیچی
= ضریب زاویه موثر قطب . (موج مربعی)
= مقدار سطع بالا از جریان فاز
= ۹/۰ . . . . ۷/۰ (فاکتور شکل شار تحریک رتور)
= فاکتور عکس‌العمل‌ آرمیچر ، محور d
= ۹۵/۰ . . . . . ۶/۰ برای حالت زیر تحریک موتورها.
= ضریب کاربردی
f = فرکانس ورودی
= چگالی شار مغناطیسی پس ماند
= نیروی اجبار کننده

D = قطر داخلی استاتور
= سرعت سنکرون
= مقدار پیک چگالی جریان خطا استاتور
= بازده
= ضریب زاویه قدرت
g = فاصله هوایی (فاصله مجاز بین رتور و استاتور)
h = وزن
= نفوذپذیری پسرفت وابسته

تعیین معادلات
ولتاژ ترمینال موتور را برای یک معکوس کننده پل سه فاز کامل با شش سویچ و اتصال Y موتور به صورت زیر می توان بیان کرد:
(۱)
با فرض اینکه سوئیچها ایده‌آل‌اند و EMF بین فازهای هدایت کننده ثابت است (EMF ذوزنقه‌ای)، جریان لحظه‌ای آرمیچر را می توان بصورت زیر نوشت:
(۲)
ما می توانیم EMF را بسادگی بعنوان تابعی از سرعت رتور بیان کنیم:
(۳)
معادله گشتاور شبیه به یک موتور DC کموتاتوردار کار است که می تواند نوشته شود:

گشتاور متوسط تبدیل شده می تواند ماکزیمم شود و ریپل گشتاور می تواند می نیمم گرد، اگر شکل مربع EMF بصورت ذوزنقه‌ای باشد. با سوئیچینگ ما سفتها و IGBT ها بگونه‌‌ای که همواره دو فاز سیم پیچی بصورت سری با یکدیگر در تمام طول دوره ْ۶۰ رسانایی به هم متصل باشند، می توان شکل موج ذوزنقه‌ای را بدست آورد.
بعلاوه ، شکل بندی مناسب و مغناطیس کردن آهنربای دایمی (PMs) و سیم‌پیچهای استاتور عوامل مهمی در بدست آوردن شکل موج ذوزنقه‌ای می باشند. بواسطه تلورانس ساخت، واکنشهای آرمیچر و دیگر اثرات مزاحم ، شکل مربع EMF هر گز بصورت تخت نخواهد شد. اما می‌توان ریپل گشتاور را زیر %۱۰ نگاه داشت.
شیوه اندازه‌گیری و ابعاد موتور
حجم همه PM های بکار رفته در موتور را می توان بصورت بیان نمود. که در آن p تعداد قطبهاست و L,W,h ارتفاع و عرض و طول PM می باشند. توان خروجی یک ماشین PM متناسب است با حجم و کیفیت PM و توان الکترومغناطیسی ماکزیمم را که به وسیله ماشین PM تبدیل می شود را می توان بصورت زیر بیان نمود (با استفاده از دیاگرام عملکرد ماده PM بکار رفته)
(۵)
توان الکترومغناطیسی که از شکاف هوایی عبور می‌کند عبارت است از :
(۶)
و ضریب توان خروجی:
(۷)
چگالی شار مغناطیسی شکاف هوایی عبارت است از:
(۸)
شیوه‌ اندازه‌گیری چگالی شار برای ماشینهای مغناطیس دایمی از ماده NdfeB ساخته شده باشند در ابتدا می تواند با رابطه تخمین زده شود. هم چنین چگالی شار مغناطیسی می تواند بر مبنای رابطه
(۹)
تخمین زده شود.

یک انتخاب آزاد در طول موثر پشته آرمیچر وجود دارد. یعنی نرخ وابسته به عملکرد موتور می‌باشد. توصیه شده که برای ماشینهای PM کوچک شکاف هوایی بین ۰٫۳ تا ۱۰۰ mm در نظر گرفته بشود. شکاف هوایی کوچکتر ، جریان راه انداز کوچکتری را می‌طلبد. اما شکاف هوایی کوچک‌تر منتج به افزایش اثر عکس‌العمل آرمیچر و گشتاور نامطلوب (ریپل دار) می‌گردد. موتورهای DC بدون جاروبک مغناطیس دایم بصورت برتری دارای رتورهای با مغناطیس‌های چسبیده شده در سطح، با ضریب موثر زاویه قطب بزرگ می باشند. برای یک توزیع مستطیلی ایده‌ال از چگالی شار مغناطیس شکاف هوایی = ثابت در محدوده که گام قطب است که از صفر تا ْ۱۸۰ می تواند باشد:
(۱۰)

با در نظر گرفتن عرض کفشک قطب و یک شار حاشیه‌ای، EMF موثر در توان الکترومغناطیسی عبارت است از:
(۱۱)
گشتاور الکتریکی مغناطیسی تولیدی بوسیله موتور عبارت است از :
(۱۲)
ملاحظات طراحی
چگالی توان و چگالی گشتاور برای تعیین کردن اینکه چگونه بهترین مواد فعال برای یک موتور BLDC به کار بروند، اندازه‌گیری می‌شوند. آهنرباهای NdFeB بالاترین چگالی انرژی را با هزینه قابل قبولی عرضه می ‌دارد.. ایراد بزرگ آنها در مقایسه با SMCO خاصیت گرمایی آنها است. وقتیکه مغناطیسهای NdFeB به کار می‌‌برند، اندازه‌گیری می‌شوند. آهنربای NdFeB بالاترین چگالی انرژی را با هزینه قابل قبولی عرضه می دارد . وقتی که مغناطیسهای NdFeB به کار می‌روند، درجه حرارت باید زیر c ْ۱۶۰ تا cْ۲۵۰ حفظ گردد. چون اتلاف حرارتی رتور کم است برای آن خنک سازی پسیو (غیرفعال) بکار برده می‌شود. ابعاد اصلی (قطر درونی استاتور و طول موثر هسته) برای BLDC ها بوسیله توان خروجی اندازه‌گیری شده، چگالی شار مغناطیسی شکاف هوایی و جریان خط آرمیچر همانطور یکه قبلاً توضیح داده شد تعیین می گردد.

شکل ۳ : شکل هندسی موتور طراحی شده (PM BLDC)
آنالیز بروش عنصر محدود

طراحی بالا با استفاده از بسته نرم افزاری آنالیز شده بود و راه حل‌های گوناگون در بخشهای بعدی ارائه می‌گردند، نرم افزار فوق شبکه اولیه را تولید کرده و سپس آنرا بصورت موردی پالایش و تجزیه و تحلیل می کنند. نمای بزرگ شده شبکه نهایی در شکل ۴ نشان داده شده است.

شکل ۴: نمای بزرگ شده شبکه نهایی با استفاده از
راه‌حلهایی که برای گشتاور بدست آمده بود با ویژگیها و خصوصیات طراحی مقایسه گردید.
گشتاور طراحی و گشتاور بدست آمده با آنالیز FE بسیار بیکدیگر نزدیک هستند که با یکدیگر یکی می شدند، بطوریکه طراحی را بصورت عینی تقویت می کند. هم چنین تأثیرات تجربی تیر این گزارش را در بر می‌‌گیرند.
شکل ۵ راه حلی برای گشتاور را که مبتنی بر آنالیز FE است برای طراحی مطلوب موتور بما نشان می دهد توزیع خطوط شار و چگالی شار در شکلهای ۶ و ۷ نشان داده شده است.

شکل ۵: گشتاور مبنای آنالیز FE با بکار بردن

شکل ۷: توزیع خطوط شار (موتور طراحی شده)
پارامترهای طراحی انتخاب شده همانطوری که در بالا شرح داده شد مبتنی بر روی تحلیلی است. طراحی با استفاده از بسته نرم‌افزاری و آنالیز FE توصیف گردیده است. نتایج روش تحلیلی و آنالیز FE بر هم منطبق می‌شوند بطوریکه خیلی به هم نزدیک گردند. بنابراین این می تواند آنقدر طراحی را توانا بسازد که عملی بهینه را عرضه نماید، بطوریکه نه تنها تجهیزات مورد نیاز کم گردند، بلکه عملکرد بهتری را نیز تحویل بدهد. نتایج آزمایشگاهی این بحث را نیز تأیید می‌نمایند. اشکال شماره ۸ تا ۱۰ محصول نهایی یعنی موتور تولید شده را نشان می‌دهند.

شکل ۸: رتور با مغناطیس دایم BLDC موتور

شکل ۹: استاتور BLDC موتور

شکل ۱۰: روتور و استاتور BLDC موتور
مقایسه BLDC موتورها با موتورهای DC و AC
موتورهای بون جارو بک با مغناطیس دایمی در برگیرنده همان مشخصه‌های گشتاور سرعت و قوانین عملکرد پایه موتورهای DC است. تفاوت اصلی آنها با موتورهای DC در آنست که در اینجا سیم پیچی رتور با مواد مغناطیسی دایم جایگزین شده است و فرآیند یکسوسازی بصورت الکترونیکی انجام می گیرد.
با بکار بردن PM و حذف کردن جاروبکها مزیتهای خاصی را بصورت زیر دربر دارد:
کنترل کردن گشتاور با عملکرد بالا
ریپل کم گشتاور خروجی
تواندهی بالا نسبت به وزن موتور
عمر بالا
نویز پایین و EMI پایین
تبادل حرارت بهتر
هزینه نگهداری پایین
سرعت بسیار بالا

موتورهای DC از راندمان بالایی برخوردارند و بخاطر همین مشخصه برجسته‌شان است که می توان از آنها بعنوان سر و موتور استفاده نمود. تنها عیب آنها نیاز به جاروبک و کموتاتوری است که دایم در حال فرسایش می باشند و هزینه تعمیر و نگهداری آنها زیاد است.
در موتورهای dc معمولی آرمیچر بر روی رتور و میدان بر روی استاتور واقع شده است. در حالیکه در موتورهای بدون جارو بک اینگونه نمی‌باشد. بلکه ساختمان این موتورها شباهت زیادی به موتورهای AC سنکرون دارد. یعنی آرمیچر آنها بر روی استاتور و میدان از دو یا چند آهنربا که بر روی رتور واقع می‌شوند تشکیل می شود. از جمله شباهتهای این موتورها با موتورهای AC سیم بندی آرمیچر آن است که بصورت توزیع شده و چند فاز می ‌باشد که به منظور یکنواخت کردن حرکت موتور بکار می رود. و بالطبع تعداد شیارهای موتور افزایش خواهد یافت.
از جمله تفاوتهای آنها با موتورهای AC می توان بطرز تعیین وضعیت رتور اشاره نمود. که برای این منظور در این موتورها از کلیه های الکترونیکی استفاده می‌شود که سیگنالهای تعیین وضعیت رتور را تولید می کنند در حالیکه در موتورهای AC اینگونه نیست.

جدول۳- مقایسه موتورهای DC معمولی و بدون جاروبک
موضوع موتورهای DC معمولی BLDC موتور
ساختمان مکانیکی میدان مغناطیسی بر روی استاتور میدان مغناطیسی همانند موتور AC سنکرون روی رتور
مشخصات – برجسته پاسخ سریع و قابلیت کنترل بالا عمر زیاد، سادگی تعمیرات و نگهداری
اتصال سیم پیچها اتصال حلقوی- از سیم پیچهای توزیع شده در آن استفاده نمی شود چون باعث افزایش اند و کتانس و ایجاد جرقه بزرگتر و هم چنین لرزش بالاتر از آنها خواهد شد. نوع پیشرفته: اتصال بصورت سه فازه

نوع معمولی : اتصال بصورت سه فازه با نقطه صفر
نوع ساده : اتصال بصورت دو فازه با نقطه صفر
روش ارتباط تماس مکانیکی بین جاروبک و کموتاتور کلیدهای الکترونیکی با استفاده از ترانزیستور
روش آشکار سازی موقعیت رتور بصورت اتوماتیک توسط جاروبک قابل آشکار شدن است. عناصر هال، رمزگشای دورنی و غیره
روش تغییر جهت سرعت توسط معکوس نمودن ولتاژ ترمینال توسط مدارات ترتیبی دیجیتال

فصل دوم

توصیف سیستمهای تحریک برای BLDC موتور:
سیستم تحریک ما از سه برد اصلی تشکیل می‌شود:
۱- مبدل AC/DC بوست با تصحیح ضریب توان
۲- کنترلر BLDC موتور با دارا بودن خاصیت حلقه بسته
۳- مدار معکوس کننده سه فاز دو قطبی

ابزارهای کمکی برای اطمینان از قابل اعتماد بودن و عملکرد موثر و کامل تحریک اضافه می‌گردند. نظیر حفاظت در برابر جریان زیاد، قفل ولتاژ پایین، یک عایق بندی کامل بین مدار کنترل و جهت ولتاژ بالای معکوس کننده و زمین کرده همه قسمتهای فلزی که به مدار فعال (زنده) متعلق نمیباشند. طرح درایو PMBLDC در شکل ۱۱ نشان داده شده است.

شکل ۱۱: بلوک دیاگرام درایو BLDC با مغناطیس دایم
مبدل بوست AC/DC (تولید ولتاژ بالای DC جهت تغذیه اینورتر)
برای رسیدن به سرعت بالای مطلوب موتور (۵۰۰۰rpm) و طبق عامل حساسیت ennf برگشتی ولتاژ DC برای تغذیه معکوس کننده باید در ثابت شود. برای بدست آوردن این ولتاژ DC بالا از مبنای همراه با عامل توان بالا و اعوجاج هارمونیک منبع جریان پایین (TMD) ، مبدل بوست بکار برده می‌شود. مبدل بوست در هر وضعیت شرطی، بی وقفه کار می کند. (CCM) که انتخابی عالی را برای بدست آوردن ولتاژ DC مطلوب با فاکتور توان بالا و شکل موج جریان ورودی نزدیک و شبیه به سینوسی را عرضه می‌کند. همانطوری که در شکل نشان داده شده است، مبدل بوست، یک مبدل پل، یک سلف، یک ما سفت، یک دیود سویچینگ سریع و یک خازن بزرگ را دارا می‌باشد. اضافه کردن فیلتر EMI در ورودی سبب کاستی EMI خواهد شد.

شکل ۱۲: دیاگرام مدار مبدل بوست
برای اینکه مبدل بوست براحتی کنترل شود، Ncp 1650 IC مورد استفاده قرار می‌گیرد. این IC جدید یک IC پیشرفته برای تصحیح فاکتور توان است. که می‌تواند فراتر از محدوده پهنای ولتاژ ورودی و سطوح توان خارجی عمل نماید. این مدار برای کار در روی سیستمهای توان ۵۰/۶۰ HZ طراحی گردیده است. این کنترلر برای اطمینان از ایمن بودن و قابل اعتماد بودن کارکرد تحت هر شرایط چندین روش حفاظت متفاوت را عرضه می‌کند.

PWM یک کنترلر با فرکانس ثابت، حالت جریان متوسط با تجهیزات تکمیلی وسیع می‌باشد. این تجهیزات و ویژگیها هم قابلیت انعطاف پذیری و هم قابلیت ظریف کاری را بخوبی در کاربردهایشان در یک مدار عرضه می‌دارند. اجزاء بحرانی مدار داخلی با دقت بالایی طراحی شده‌اند بطوریکه قابلیت عرضه توان صحیح و محدودسازی جریان را داشته باشند. بنابراین می نیمم کردن مقدار طراحی خیلی بالا برای اجزاء طبقه‌ توان ضروری بنظر می‌رسد Ncp 1650 برای مداری با توان محدود، بطور صحیح طراحی می گردد، که حتی در وضعیت توان ثابت، فاکتور توان را بطور عالی حفاظت خواهد نمود. هم چنین ابزاری را دارا می‌باشد که برای جریانهای بار در حال تغییر و ولتاژهای خط پاسخ گذاری سریع ایجاد کند. تمام ابزار و ویژگیهایی را که کنترلر بکار می برد می‌توان بصورت زیر جمع‌بندی نمود:

عملکرد فرکانس ثابت
عملکرد بصورت پیوسته یا غیر پیوسته
مدار محدودسازی توان صحیح
قفل حداقل ولتاژ
میزان شیب که بر دقت نوسانساز تأثیری ندارد.
حالت جریان متوسط PWM
حالت جبران گذاری بار/ خطا بصورت سریع
چند برابر کننده و با دقت بالا.

مقایسه گر حد ولتاژ بالا.
عملکرد از ۲۵ تا ۲۵۰ کیلو هرتز
ویژگیها و ابزار حفاظتی عبارتند از:
حفاظت اور شوت ولتاژ خارجی
حفاظت ورودی خط پایین
حد جریان آنی
حد جریان فرکانس خط
حد توان ماکزیمم

شکل ۱۳: بلوک دیاگرام ساده شده NCP1650
در حقیقت این IC وظیفه تولید پالس و کنترل پایه گیت ماسفت بکار رفته در مبدل بوست را بر عهده دارد.

جدول۴- نحوه عملکرد و توصیف پایه های IC را بیان می‌کند.
توضیحات
تابع عملکرد شماره پایه
تغذیه قطعه را فراهم می‌سازد، این پایه، ولتاژ حداقل را نیز نمایش داده و اگر ولتاژ در محدوده Uvlo نباشد، قطعه کار نخواهد کرد.
۱
خروجی مرجع تنظیم شده ۷ ۲۵/۶ است. موقعیکه چیپ در وضعیت خاموش باشد، این ولتاژ مرجع غیرفعال می‌گردد.
۲
برای تقویت کننده مرجع ac قطب فراهم میسازد. این تقویت کننده جمع ولتاژ ورودی ac و جزء فرکانس پایین جریان ورودی را با سیگنال مرجع مقایسه می نماید. پاسخ باید به اندازه کافی کند باشد تا اکثر فرکانسهای بالا را از سیگنال جریان فیلتر کرده یعنی آنهایی را که از تقویت کننده جریان تزریق گردیده اما به اندازه کافی سریع باشد تا اطلاعات فرکانس خطا حداقل را انحراف پیدا کند. جبران
AC 3

این پایه یک خازن را با زمین برای فیلتر کردن و پایداری تقویت کننده خطای ac سازگار می نماید. تقویت کننده‌های خطای ac یک تقویت کننده ابر رسانا بوده و به یک بار امپدانس بالای داخلی منتهی می گردد. فیلتر مرجع ۴
موج سینوسی ac ورودی یکسو شده به این پایه متصل می گردد . این اطلاعات برای مقایسه کننده مرجع ، مدار توان ماکزیمم و مدار جریان متوسط بکار می‌شود. ورودی AC 5
توضیحات
تابع عملکرد شماره پایه
خروجی DC مبدل از طریق یک تقسیم کننده ولتاژ مقاومتی به یک سطح ۴v کاهش یافته و برای مهیا ساختن فیدبک برای حلقه تنظیم ولتاژ به این پایه متصل می‌گردد. هم چنین موقعیکه ولتاژ خروجی تقسیم شده از v 75/0 فراتر رود این پین با غیرفعال کردن چیپ یک ابزار قفل ولتاژ پایین را مهیا می سازد. این پایه بعنوان پایه خاموش کننده نیز می تواند بکار برده شود. با یک مقایسه کننده کلکتور باز یا یک ترانزسیتور سیگنال کوچک آنرا بزمین متصل کرده و بعنوان خاموش کننده بکار ببرید. فیدبک/ خاموش ۶
یک شبکه جبرانساز برای لوپ تنظیم ولتاژ به خروجی تقویت کننده خطای ولتاژ در این پایه متصل شده است. جبران لوپ ۷

یک شبکه حیران برای لوپ تغذیه به خروجی تقویت کننده و خطای تغذیه در این پایه متصل گردیده است. جبران تغذیه ۸
این پایه به خروجی چند برابر کننده توان اجازه می دهد برای سطح محدود توان ماکزیمم مطلوب مقیاس بندی شود. این چند برابر کننده یک طراحی سوئیچینگ مناسب و مورد نیاز برای هر دو مقاومت و خازن متصل بزمین می‌باشد. مقدار این مقاومت در اتصال با مشخص می‌شود. توان حداکثر ۹
توضیحات

تابع عملکرد شماره پایه
یک مقاومت خارجی با یک ضریب حرارتی پایین از این ترمینال بزمین متصل می‌گردد تا بهره جریان خروجی تقویت کنده تنظیم و پایا گردد. بطوریکه چند برابر کننده‌های توان و تقویت کننده خطای ac را تحریک نماید این مقاومت باید شبیه نوعی باشد که در مورد پایه ۹ بکار گرفته شده مقدار این مقاومت حداکثر جریان متوسط را مشخص خواهد نمود که قبل از اینکه عمل محدود سازی انجام شود اجازه این کار را خواهد داد. جریان متوسط ۱۰
خازنی که متصل به این پین است اجزاء فرکانس بالا را از شکل موج جریان آنی فیلتر نموده تا شکل موجی شبیه جریان خطا متوسط خلق گردد. جریان متوسط فیلتر ۱۱
ورودی ح

س شده جریان منفی برای اتصال به جهت منفی مدار فرعی جریان طراحی شده است.
۱۲
این پایه مدار جبران شیب را با یاس می کند تا مقدار جبران تنظیم گردد که به جریان آنی و خروجیهای تقویت کننده خطای ac اضافه شده است. جبران شیب ۱۳
خازن زمان سنجی برای نوسان از ورودی این خازن فرکانسی و نوسانساز را تنظیم می کند خازن زمانی سنج CT 14
مرجع زمین برای مدار Cnd زمین ۱۵
تغذیه FET یا IGBT خروجی را بر عهده دارد. برای قطعات کوچک قادر به تحریک بوده یا می تواند برای ترانزیستورهای بزرگتر به یک تحریک کننده خارجی متصل گردد. تحریک خروجی ۱۶

کنترلر موتور DC بدون جاروبک MC 33035 , NCV 33035

MC 330.5 یک کنترلر موتور ساده بدون جاروبک یکپارچه نسل دوم با عملکرد بالاست که حاوی تمام عملکردهای فعالی مورد نیاز برای تحقق یک سیستم کنترل موتور سه یا چهار فازی مدار باز کامل می باشد. این وسیله از اجزای زیر تشکیل شده است: یک دکدر وضعیت رتور برای ترتیب یکسوسازی مناسب، مرجع متعادل کننده و با قابلیت تامین توان برای حسگر، نوسانگر دندانه‌ اره‌ای قابل برنامه‌ریزی فرکانس ، سه محرکه فوقانی کلکتور باز و سه محرکه تحتانی توتم پل جریان بالا، مناسب برای تحریک ما سفتهای قدرت.

هم چنین ویژگیهای محافظتی نظیر قفل ولتاژ پایین، محدودیت جریان سیکل به سیکل با یک حالت خاموشی قفل شده قابل انتخاب با تأخیر زمانی، خاموشی حرارتی داخل و یک خروجی خطا منحصر بفرد که می تواند در سیستمهای کنترل شونده با ریزپردازنده به صورت رابطه قرار داده شود، گنجانده شده اند.
نمونه‌ای از عملکرد های کنترل موتور عبارتند از: سرعت مدار باز جهت حرکت مستقیم یا معکوس، فعال‌سازی چرخش موتور، ترمز کردن دینامیکی، mc33035 برای کار با تغییر فازهای سنسور الکتریکی از ْ۳۰۰/ْ۶۰ یا ْ۲۴۰/ْ۱۲۰ طراحی شده است و هم چنین می تواند موتورهای DC جاروبکدار را بطرز موثری کنترل نماید.