Essentials of DC Motor, Brushless DC Motor, and PMSM

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Essentials of DC Motor, Brushless DC Motor, and PMSM

N S

S

NS

S

N

陳正虎william@ckmail.ncku.edu.tw

(06)2757575 分機 61130

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Outline

Fundamental Concepts of DC motors, Brushless DC motors and PMSMsUnderstanding of Kt and Ke in DC motors, Brushless DC motors and PMSMs.How to determine the SOA (Safe Operating Area) of DC motors, Brushless DC motors and PMSMs.Function and Installation of Position Sensor (Hall Effect Sensor).

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直流馬達基本原理直流馬達基本原理

運轉原理及整流

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基本運轉原理基本運轉原理 發電機原理

整流子

Animation

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Practical Configuration

The torque or voltage ripples can be reducedas the number of the commutators are increased.

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Dynamic Model

aT a a e r a

e l

diV I R K Ldt

T T J B

ω

α ω

= + +

− = +

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Steady State Model

T a a e rV I R K ω= +

e t aT K I= t eif K K=

2t T t

ra a

K V KTR R

ω= −

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Perfect Energy-Conversion Process

e r a aT E Iω =

In ideal case, the electrical power was perfectly transferred intomechanical output power, that is

1

te r t a a a

e e

t

e

kET k I E Ik k

kk

ω = ⋅ =

⇒ =

Is it possible that Kt/Ke greater than 1?

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T-N Curve2

t T te r

a a

K V KTR R

ω= −max

t T

a

K VTR

=

_ maxT

rt

VK

ω =

There is a trade-off betweenhigh torque and high speed.

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Safe Operating Area

Voltage: Maximum SpeedCurrent: Maximum TorqueRated Power: Thermal Dissipation

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Back EMF Waveforms of BLDCMs and PMSMs

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Waveform of Phase and L-L BEMF

BEMF Measured from the same motor.

Sinusoidal or Trapezoidal??

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Sinusoidal Back EMF Waveform

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Power Conversion of Multiphase System

rmsrms

crmscrmsbrmsbrmsarmsarmsm

IEIEIEIET

3______

=

++=ω

•In ideal case, the electrical power was perfectly transformedinto mechanical output power, that is

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Phase U

Phase V

Phase W

UE

VE

WE

ui

back EMF

Current

Torque VU WU WV UV UW VW VU

(integrated three-phasecurrent)

i

vi

wi

2wvu iii

i++

=

Benefits:1. Phase Control2. Improve Kt3. Improve Dynamics

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BEMF Waveform and Output Power