چگونه یک موتور BLDC کار می کند: توضیح مفصلی از اصول موتورهای DC بدون جاروبک

در طول دو تا سه دهه گذشته، با توجه به پیشرفت مداوم فناوری الکترونیک و مواد آهنربای دائمی،موتورهای BLDCاز موتورهای طاقچه به راه حل های اصلی قدرت برای صنایع مختلف تبدیل شده اند.موتورهای BLDCبه دلیل راندمان بالا، قابلیت اطمینان بالا و طول عمر بالا، به طور گسترده در کاربردها از جمله لوازم خانگی، ابزارهای برقی، وسایل نقلیه الکتریکی و تجهیزات اتوماسیون صنعتی استفاده شده است. با این حال، اصول عملکرد موتورهای BLDC هنوز برای بسیاری از افراد شناخته شده نیست. این مقاله هر آنچه را که باید در مورد اصل کار موتورهای BLDC بدانید توضیح می دهد تا بتوانید دید دقیق تری از این نوآوری باورنکردنی در مهندسی برق امروزی داشته باشید.

ساختار اصلی یک موتور BLDC

حال، قبل از ورود به اصل کار، باید با ساختار اصلی آن آشنا شویم:

استاتور: در داخل محفظه موتور ثابت است، معمولاً از ورق های فولادی سیلیکونی چند لایه تشکیل شده است و سیم پیچ هایی در اطراف آن پیچیده می شوند تا چندین قطب آهنربای الکتریکی ایجاد کنند.

روتور: روتور معمولاً روی شفت نصب می شود و حاوی آهنرباهای دائمی است. موتورهای BLDC را می توان بر اساس پیکربندی های مختلف آهنرباهای دائمی به انواع مختلفی طبقه بندی کرد.

سنسورهای هال: برای تعیین موقعیت روتور و بازخورد به سیستم کنترل الکترونیکی.

کنترلر: یک سیستم کنترل الکترونیکی که زمان بندی جریانی را که از سیم پیچ های استاتور می گذرد بر اساس بازخورد سنسورهای هال یا سایر مکانیسم های بازخورد تعیین می کند.

شایان ذکر است که ساختار موتور BLDC بیرونی از ساختار روتور داخلی منحصر به فرد است. روتور بیرون است و استاتور داخل است. این نوع طراحی به ویژه در کاربردهایی که نیاز به گشتاور بالا دارند، مانند درایو پروانه های پهپاد رایج است.

اصول الکترومغناطیس: اساس عملیات موتور BLDC

دو اصل اساسی الکترومغناطیس عملکرد یک موتور BLDC را تعیین می کند:

قانون آمپر: هنگامی که هادی حامل جریان در میدان مغناطیسی قرار می گیرد، هادی تحت یک نیرو قرار می گیرد. استاتور یک موتور BLDC از سیم‌پیچ‌های مسی سیم‌پیچ ساخته شده است و پس از اینکه این سیم‌پیچ‌ها فعال شدند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند که بین آهنرباهای دائمی روتور تعامل می‌کند تا نیرویی ایجاد کند که حرکت مکانیکی را برای چرخش روتور فراهم می‌کند.

قانون القای الکترومغناطیسی فارادی: هنگامی که یک رسانا خطوط میدان مغناطیسی را قطع می کند یا در یک میدان مغناطیسی در حال تغییر قرار می گیرد، نیروی الکتروموتور در آن القا می شود. این به طور گسترده ای در کنترل بدون حسگر استفاده می شود، جایی که موقعیت روتور با سنجش نیروهای الکتروموتور پشتی تشخیص داده می شود.

این اصول در طراحی موتورهای براشلس صنعتی کاربرد دارند. آنها این کار را با تنظیم دقیق جریان از طریق سیم‌پیچ‌های استاتور انجام می‌دهند و از برهمکنش الکترومغناطیسی مطلوب با آهن‌رباهای دائمی روتور برای دستیابی به راندمان و پایداری بالا اطمینان حاصل می‌کنند.

فرآیند کموتاسیون یک موتور BLDC

مهمترین مکانیسم کار در موتور BLDC، کموتاسیون الکترونیکی نامیده می شود. این مهم ترین و کلیدی ترین عامل تمایز بین موتورهای براشلس و موتورهای برس دار سنتی است.

اصل کموتاسیون: کموتاسیون فرآیند تغییر جهت جریان جریان نسبت به سیم‌پیچ‌های موتور است به طوری که می‌توان برهمکنش الکترومغناطیسی پیوسته بین روتور و استاتور وجود داشته باشد که باعث ایجاد گشتاور پیوسته می‌شود.

جابجایی شش مرحله ای: روش کنترل سنتی موتورهای BLDC چرخه الکتریکی را به شش مرحله تقسیم می کند. در هر مرحله، دو تا از سیم پیچ های سه فاز تغذیه می شوند، در حالی که یک فاز خاموش است.

بازخورد سنسور هال: سنسورهای هال موقعیت آهنرباهای دائمی روتور را تشخیص می دهند، به طوری که کنترل کننده می تواند تعیین کند که کدام سیم پیچ باید انرژی داده شود و جهت جریان.

کنترل بدون سنسور: یک روش پیشرفته تر، تعیین موقعیت روتور با نظارت بر نیروی الکتروموتور پشتی در فاز بدون انرژی است، برای اجرای این استراتژی پیچیده به سنسورهای هال نیاز نیست و در نتیجه قابلیت اطمینان بیشتر درایو ایجاد می شود.

موتورهای BLDC بزرگ معمولاً استراتژی‌های کنترلی پیچیده‌تری مانند محرک موج سینوسی یا کنترل برداری را برای دستیابی به گشتاور روان‌تر و راندمان بالاتر اتخاذ می‌کنند.

نقش کنترل کننده در سیستم موتور BLDC

موتور BLDC نمی تواند به تنهایی کار کند و باید با یک کنترل کننده الکترونیکی تخصصی ترکیب شود:

درایور موتور: معمولاً یک اینورتر پل سه فاز مبتنی بر پاور MOSFET یا IGBT است که مسیر جریان را مطابق سیگنال کنترل تغییر می دهد.

میکروکنترلر: سیگنال‌ها را از حسگر موقعیت دریافت می‌کند، الگوریتم‌های کنترلی را انجام می‌دهد و سیگنال‌های PWM را برای هدایت دستگاه‌های برق تولید می‌کند.

کنترل حلقه بسته: کنترل دقیق سرعت یا کنترل موقعیت را بر اساس نیازهای برنامه ارائه می دهد.

عملکرد حفاظت ایمن: حفاظت از جریان بیش از حد، حفاظت از دمای بیش از حد، حفاظت در برابر ولتاژ و غیره.

کاربردهای سیستم های موتور 48 ولت BLDC در دوچرخه های برقی، وسایل نقلیه الکتریکی کوچک و برخی کاربردهای صنعتی دیگر گسترده است. مدارهای کنترل کننده و کنترل کننده آن باید با ولتاژها و جریان های بالاتر سروکار داشته باشند و معمولاً مجموعه پیچیده تری از عملکرد و عملکردهای حفاظتی دارند.

ویژگی های عملکرد و سناریوهای کاربردی موتورهای BLDC

اکنون اجازه دهید پس از یادگیری اصول عملکرد موتور BLDC به مزایای عملکرد آنها نگاهی بیندازیم:

راندمان بالا: به دلیل عدم تلفات اصطکاک از برس ها و کموتاتورها، راندمان آنها معمولاً بالای 85 درصد است، حتی در برخی موارد بالای 95 درصد است.

ویژگی های سرعت-گشتاور خوب: گستره وسیعی از گشتاور خروجی را فراهم می کند.

طول عمر بیشتر: بدون عناصر سایش مکانیکی، طول عمر تنها در نهایت توسط بلبرینگ ها محدود می شود.

بهبود راندمان اتلاف گرما: تماس مستقیم بین سیم‌پیچ‌های استاتور و محفظه موتور برای اتلاف گرمای مؤثرتر.

نویز کم و تداخل الکترومغناطیسی: هیچ جرقه و سر و صدایی در اثر کموتاسیون برس ایجاد نمی شود.

موتور BLDC پیشتاز به دلیل ساختار خاص خود توانایی بیشتری برای ارائه گشتاور بالاتر در سرعت های پایین دارد و آنها را به ویژه برای سیستم های درایو مستقیم مانند پروانه ها و فن های پهپاد و غیره مناسب می کند.

الگوریتم های کنترل موتورهای BLDC

فناوری پیشرفته‌تر کنترل BLDC مدرن از این روش جابه‌جایی ساده شش مرحله‌ای پیشی گرفته است:

کنترل موج ذوزنقه ای: اساسی ترین روش کنترل، شکل موج جریان ذوزنقه ای است. عملی کردن آن ساده است، اما امواج گشتاوری با دامنه قابل توجهی تولید می کند.

کنترل سینوسی: حرکت موتور توسط جریان سینوسی، که می تواند موج گشتاور موتور را کاهش دهد و کار را روان تر کند.

کنترل میدان گرا (FOC): با اعمال یک تبدیل ریاضی، جریان 3 فاز برای کنترل به سیستم مختصات دوار منتقل می شود که منجر به کنترل گشتاور بهینه و بازده انرژی می شود.

فناوری همجوشی حسگر: سیگنال‌های بازخورد متعدد (مانند سنسورهای هال، رمزگذارها و نمونه‌گیری جریان) را برای دقت و استحکام بهتر کنترل یکپارچه می‌کند.

با توجه به چالش‌های موجود در کاربردهای پرقدرت، مانند مدیریت حرارتی، بهینه‌سازی بازده و پاسخ دینامیکی، الگوریتم‌های کنترلی پیچیده‌تر معمولاً برای موتورهای BLDC بزرگ استفاده می‌شوند.

نتیجه گیری: اصول کار و مزایای موتورهای BLDC

موتورهای BLDCبه طور دقیق جریان در سیم پیچ های استاتور را از طریق یک سیستم کنترل الکترونیکی کنترل کنید و با آهنرباهای دائمی روتور تعامل کنید تا انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل کنید. از دستگاه های الکترونیکی مصرفی کوچک گرفته تا تجهیزات صنعتی بزرگ، از کاربردهای ولتاژ پایین تا سیستم های موتور 48 ولت BLDC، موتورهای DC بدون جاروبک، با راندمان بالا، قابلیت اطمینان بالا و عملکرد کنترلی عالی، باعث پیشرفت تکنولوژی و بهبود بهره وری انرژی در صنایع مختلف می شوند. با توسعه مداوم فناوری کنترل الکترونیکی و مواد مغناطیس دائمی، می‌توان پیش‌بینی کرد که موتورهای BLDC چشم‌انداز کاربرد گسترده‌تری و عملکرد برجسته‌تری خواهند داشت.

اگر به محصولات ما علاقه مند هستید یا هر گونه سوالی دارید، لطفاً در صورت تمایل به آن مراجعه کنیدبا ما تماس بگیریدو ما ظرف 24 ساعت به شما پاسخ خواهیم داد.