Influence of transverse branch parameters of capacitor dc brushless motor on its operational properties

Work conducted at the Silesian University of Technology on the drive systems of brushless motors which could be operated at speeds higher than the basic speed led to creation of a new design, which was called the capacitor type, brushless, dc motor. This design is characterised by a not complicated scheme of connections and simple control system (Fig.1). The stator winding is made as a divided three-phase one and capacitors connected in delta are connected between the common points of coils of each phase of the winding. When loaded by a not high torque, the motor rotates with a speed near the double basic speed. At the instants when the inverter transistors are being commutated, the capacitors are recharged by current pulses. The pulses, flowing through half of the two armature phases produce a pulse type drive torque which accelerates the rotating masses. Increase in load decreases the rotating speed and causes that the current pulses flowing through the phase halves become higher and higher and produce higher and higher torque. When the rotor slows down to a speed lower than the basic one, the current begins to flow through the whole winding. From that instant the motor begins to behave like a classical brushless dc motor. Figure 2 shows the mechanical characteristic of the presented drive system supplied by a PWM wave shape with the filling factor near unity. Mechanical characteristics of the same motor are shown in the same diagram, when it operates in the classical system with full winding and with a half of the rotor coils. It can be seen that with changing load the characteristic of the drive approaches the one or the other characteristic of the motor operating in the classical system. The paper also discusses the effect of changes in capacitance and resistance of the transversal branch on the operation properties of the whole drive system (Figs.5, 6, 7). Increased capacitance of the capacitors used causes the rotational speed to be increased in the range of medium loads but at the same time the input motor current rises. The capacitance of the capacitors, if selected properly, permits easy speed control, without exceeding the maximum motor current. Increased resistance in the transversal branch decreases the value of the current pulses which recharge the capacitors and by doing this decreases the motor rotation speed in the range of medium loads.

Prace prowadzone na Politechnice Śląskiej nad układami napędowymi silników bezszczotkowych, które mogłyby pracować przy prędkościach większych niż prędkość bazowa, doprowadziły do powstania nowej konstrukcji, która została nazwana kondensatorowym, bezszczotkowym silnikiem prądu stałego. Konstrukcja ta charakteryzuje się nieskomplikowanym układem połączeń i prostotą układu sterowania (rys.1). Uzwojenie stojana wykonane jest jako trójpasmowe, dzielone, a między punkty wspólne cewek każdego z pasm uzwojenia są włączone kondensatory połączone w układ trójkąta. Przy obciążeniu niewielkim momentem, silnik wiruje z prędkością zbliżoną do podwójnej prędkości bazowej. W momentach komutacji tranzystorów falownika kondensatory przeładowywane są impulsami prądów. Impulsy przepływając przez połowę dwóch pasm twornika, wytwarzają impulsowy moment napędowy rozpędzający masy wirujące. Powiększanie obciążenia zmniejsza prędkość wirowania i powoduje, że impulsy prądowe przepływające przez połówki pasm są co-raz większe i wytwarzają coraz większy moment. Kiedy wirnik zwolni do prędkości niższej niż prędkość bazowa, prąd zaczyna płynąć przez całe uzwojenie. Od tej chwili silnik zaczyna zachowywać się jak klasyczny bezszczotkowy silnik prądu stałego. Na rysunku 2 pokazano charakterystykę mechaniczną prezentowanego układu napędowego przy zasilaniu falą PWM o współczynniku wypełnienia zbliżonym do jedności. Na tym samym wykresie naniesiono charakterystyki mechaniczne tego samego silnika, pracującego w układzie klasycznym, przy pełnym uzwojeniu i przy połowie zwojów twornika. Widać, że wraz ze zmianą obciążenia, charakterystyka napędu zbliża się do jednej lub drugiej charakterystyki silnika pracującego w układzie klasycznym. Ponadto w referacie omówiono wpływ zmian pojemności i rezystancji gałęzi poprzecznej na własności ruchowe całego układu napędowego (rys.5, 6, 7). Powiększanie pojemności zastosowanych kondensatorów powoduje zwiększenie prędkości obrotowej w zakresie średnich obciążeń, ale równocześnie wzrasta prąd pobierany przez silnik. Właściwie dobrana pojemność kondensatorów umożliwia wygodną regulację prędkości, bez przekroczenia prądu maksymalnego silnika. Wzrost rezystancji gałęzi poprzecznej zmniejsza wartość impulsów prądowych przeładowujących kondensatory, a tym samym zmniejsza prędkość wirowania silnika w zakresie średnich obciążeń.