موتورهای الکتریکی DC بدون جاروبک: نحوه کار و نحوه انتخاب

موتورهای DC بدون جاروبک چگونه کار می کنند

یک موتور الکتریکی DC بدون جاروبک (BLDC) نیروی چرخشی را از طریق همان اصل اساسی هر موتور DC ایجاد می کند - برهمکنش بین یک میدان مغناطیسی و هادی های حامل جریان - اما کموتاتور مکانیکی و مجموعه برس کربن را که طرح های برس خورده را تعریف می کنند حذف می کند. در عوض، کموتاسیون الکترونیکی از طریق یک کنترل کننده موتور اختصاصی جریان را از طریق سیم‌پیچ‌های استاتور در یک توالی زمان‌بندی دقیق سوئیچ می‌کند، میدان مغناطیسی را می‌چرخاند و روتور آهنربای دائمی را به همراه خود می‌کشد.

روتور دارای آهنرباهای دائمی است (معمولاً نئودیمیم-آهن-بور در طرح های با کارایی بالا) و هیچ سیم پیچی، حلقه لغزشی یا برس ندارد. یک آرایه سنسور جلوه هال - یا در طرح‌های بدون حسگر، مانیتورینگ پشتی EMF - داده‌های موقعیت روتور را به کنترل‌کننده تغذیه می‌کند، که تعیین می‌کند کدام فازهای سیم‌پیچ در هر لحظه فعال شوند. نتیجه، تحویل گشتاور مداوم و صاف بدون تخلیه قوس و تلفات اصطکاک ذاتی در تماس با قلم مو است. نرخ بهره وری 85-95٪ در سراسر محدوده عملیاتی معمول هستند، در مقایسه با 75-85٪ برای موتورهای برس خورده معادل.

موتورهای DC بدون جاروبک در مقابل برس خورده: تفاوت های کلیدی

تفاوت‌های معماری بین طرح‌های برس‌شده و بدون برس به عملکرد معنادار، نگهداری و هزینه‌ها در طول چرخه عمر محصول تبدیل می‌شود.

عدم وجود جرقه موتورهای BLDC را به تنها گزینه مناسب برای آن تبدیل می کند محیط های انفجاری یا اتاق تمیز ، جایی که تخلیه قوس برس یا خطر آتش سوزی ایجاد می کند یا آلودگی ذرات ایجاد می کند. در تنظیمات صنعتی استاندارد، هزینه کل محاسبه مالکیت معمولاً به نفع طرح‌های بدون برس زمانی است که برنامه بیش از چند هزار ساعت در سال اجرا می‌شود - صرفه‌جویی در کار تعویض برس و زمان خرابی، هزینه موتور و کنترلر جلوی بالاتر را در عرض 12 تا 24 ماه جبران می‌کند.

روتور داخلی در مقابل تنظیمات روتور بیرونی

موتورهای BLDC در دو پیکربندی مکانیکی اساساً متفاوت هستند و انتخاب بین آنها به جای سلسله مراتب عملکرد مبتنی بر کاربرد است.

روتور داخلی (ورونر) موتورها روتور آهنربای دائمی را در داخل سیم پیچ های استاتور قرار می دهند. جرم روتور کوچک است و در نزدیکی محور متمرکز می شود و a تولید می کند لحظه اینرسی کم و واکنش شتاب سریع Inrunner ها در RPM بالا (معمولاً 5000-50000 RPM) کار می کنند و در مواقعی که گشتاور زیاد در سرعت های شفت کمتر مورد نیاز است با گیربکس جفت می شوند. آنها در روباتیک، دوک های CNC، دستگاه های پزشکی و ابزارهای برقی با کارایی بالا تسلط دارند.

روتور بیرونی (فرارنده) موتورها روتور را به دور بیرونی استاتور می پیچند و جرم آهنربا را در حداکثر شعاع ممکن از محور قرار می دهند. این هندسه ذاتا تولید می کند گشتاور بالا در RPM پایین ، ساخت برنامه های درایو مستقیم - فن ها، پروانه های هواپیماهای بدون سرنشین، هاب دوچرخه برقی و ماشین های لباسشویی مستقیم - برازش های طبیعی. پیشراننده ها معمولاً عریض تر و کوتاه تر از رانرهای با قدرت معادل هستند و گشتاور نرم تری را در سرعت های پایین بدون نیاز به مرحله کاهش تولید می کنند.

بدون سنسور در مقابل کنترل حسگر

بازخورد موقعیت روتور ورودی حیاتی است که به کنترل کننده موتور اجازه می دهد زمان تعویض فاز را به درستی انجام دهد. نحوه به دست آوردن این بازخورد، اجرای BLDC را به دو دسته تقسیم می‌کند که هرکدام دارای مبادلات متمایز هستند.

موتورهای BLDC با سنسور سه حسگر جلوه هال را در استاتور قرار دهید که در فاصله 120 درجه قرار دارند. سنسورها هنگام عبور آهنربای روتور را تشخیص می دهند و به کنترل کننده سیگنال می دهند که فازها را تغییر دهد. این رویکرد گشتاور راه اندازی قابل اعتماد از RPM صفر و کنترل دقیق سرعت پایین را فراهم می کند - برای کاربردهای سروو، اتصالات روباتیک و موتورهای کششی EV که باید گشتاور کامل را در حالت ساکن ارائه کنند، ضروری است.

موتورهای BLDC بدون سنسور سنسورهای هال را به طور کامل حذف کنید، به جای آن، EMF عقب (نیروی ضد الکتریسیته) تولید شده توسط سیم‌پیچ بدون انرژی هنگام حرکت روتور را اندازه‌گیری کنید. Back-EMF متناسب با سرعت است، بنابراین زیر یک آستانه حداقل - معمولاً 10-15٪ از حداکثر RPM - سیگنال برای اندازه گیری قابل اعتماد آنقدر ضعیف است. بنابراین، طرح‌های بدون حسگر یک مرحله راه‌اندازی کوتاه و حلقه باز را نشان می‌دهند و برای برنامه‌هایی که نیاز به شروع صاف و کنترل‌شده از حالت استراحت تحت بار کامل دارند، نامناسب هستند. مزیت آن هزینه کمتر موتور، کاهش پیچیدگی سیم کشی و استحکام محیطی بیشتر است - هیچ سرب سنسور هال برای خوردگی یا شکستگی وجود ندارد. به همین دلیل، فن های پرسرعت، دمنده های HVAC و درایوهای پمپ معمولاً از BLDC بدون سنسور استفاده می کنند.

انتخاب یک موتور BLDC: پارامترهای مشخصات که مهم هستند

برگه اطلاعات موتور شامل طیف وسیعی از پارامترها است. همه برای هر برنامه به یک اندازه مهم نیستند. موارد زیر ورودی های غیر قابل مذاکره برای هر فرآیند انتخاب موتور BLDC است.

• رتبه KV (RPM در هر ولت) : سرعت بی باری که موتور در هر ولت ورودی تولید می کند. یک موتور 1000 کیلوولت در 24 ولت تقریباً با سرعت 24000 دور در دقیقه بدون بار کار می کند. KV کمتر به معنای گشتاور بیشتر در هر آمپر در سرعت کمتر است. KV بالاتر مناسب برنامه های کاربردی با سرعت بالا و گشتاور کم است.
• امتیاز جریان پیوسته در مقابل اوج : حد حرارتی موتور جریان پیوسته ای را که می تواند به طور نامحدود بدون تجاوز از دمای کلاس عایق سیم پیچ حمل کند را مشخص می کند. پیک جریان معمولاً 2-3× پیوسته است و فقط در فوران های کوتاه قابل تحمل است. اندازه گیری به حداکثر جریان به جای مداوم، یک خطای رایج مشخصات است که باعث خرابی زودرس سیم پیچ می شود.
• کلاس عایق : کلاس B (130 درجه سانتیگراد)، کلاس F (155 درجه سانتیگراد) و کلاس H (180 درجه سانتیگراد) حداکثر دمای مجاز سیم پیچ را تعیین می کنند. افزایش دمای محیط، تهویه ضعیف یا چرخه های کاری بالا، دمای موتور را بالا می برد. کلاس عایق نامشخص باعث تخریب تدریجی سیم پیچ قبل از ظاهر شدن هر نوع خرابی آشکار می شود.
• رتبه بندی IP : حفاظت از نفوذ در برابر گرد و غبار و رطوبت. IP54 خط پایه برای استفاده در صنایع سبک است. IP65 (مقاوم در برابر گرد و غبار، مقاوم در برابر جت آب) حداقل برای محیط های خارج از منزل یا شستشو به پایین است. IP67 و IP68 به ترتیب غوطه وری موقت و مداوم را پوشش می دهند.
• شمارش قطب : قطب های بیشتر در RPM پایین گشتاور نرم تری تولید می کنند اما حداکثر سرعت را کاهش می دهند. موتورهای اسپیندل با سرعت بالا معمولاً از 2 تا 4 قطب استفاده می کنند. موتورهای با سرعت پایین هدایت مستقیم ممکن است از 12، 24 یا حتی 48 قطب استفاده کنند.

تطبیق موتور با کنترلر به اندازه مشخصات موتور مهم است. درجه ولتاژ کنترلر باید با حاشیه ایمنی حداقل 20 درصد از ولتاژ تغذیه تجاوز کند. و درجه بندی جریان باید با کشش مداوم موتور تحت حداکثر بار مطابقت داشته باشد - نه با امتیاز اوج موتور. عدم تطابق کنترل‌کننده‌ها علت اصلی خرابی اولیه سیستم BLDC در برنامه‌های OEM است.