موتور DC بدون جاروبک (BLDC) چیست؟ نحوه کار و مزایای کلیدی

a چیست موتور DC بدون جاروبک - تعریف اصلی

الف موتور DC بدون جاروبک موتور الکتریکی که معمولاً به اختصار موتور BLDC نامیده می شود، یک موتور الکتریکی است که از جریان مستقیم برای ایجاد حرکت چرخشی بدون برس های کربن فیزیکی موجود در موتورهای DC معمولی استفاده می کند. در موتورهای برس خورده، برس‌ها روی یک حلقه کموتاتور چرخان فشار می‌آورند تا جریان را به سیم‌پیچ‌های روتور برسانند - یک تماس مکانیکی که باعث ایجاد اصطکاک، گرما، نویز الکتریکی و سایش در طول زمان می‌شود. یک موتور بدون جاروبک این تماس را به طور کامل با جابجایی سیم‌پیچ‌ها به محفظه بیرونی ثابت (استاتور) و استفاده از یک کنترل‌کننده الکترونیکی برای تغییر جریان بین فازهای سیم‌پیچ در ترتیب صحیح، جایگزین کردن کموتاتور مکانیکی با یک معادل حالت جامد، از بین می‌برد.

بنابراین معنای موتور بدون جاروبک به این تغییر اساسی معماری می رسد: کموتاسیون الکترونیکی است نه مکانیکی . روتور - که حامل آهنرباهای دائمی به جای سیم پیچ است - از میدان مغناطیسی دوار تولید شده توسط سیم پیچ های استاتور که به صورت الکترونیکی سوئیچ می شوند، پیروی می کند. از آنجایی که هیچ برس با هیچ سطح چرخشی تماس نمی گیرد، هیچ سایش مکانیکی مداومی از این فرآیند کموتاسیون وجود ندارد، که منبع اصلی مزایای طول عمر و کارایی موتور است.

علیرغم نامگذاری "DC"، یک موتور BLDC از نظر فنی توسط جریان متناوب در سیم پیچ های استاتور خود هدایت می شود - کنترل کننده سرعت الکترونیکی (ESC) یا درایور موتور منبع تغذیه DC را به فازهای AC با زمان دقیق تبدیل می کند. "DC" در نام به منبع DC اشاره دارد که سیستم را تغذیه می کند، نه شکل موج فعلی در سیم پیچ ها. این تمایز هنگام تفسیر مشخصات موتور و انتخاب تجهیزات الکترونیکی درایو سازگار اهمیت دارد.

چگونه یک موتور الکتریکی بدون جاروبک کار می کند: کموتاسیون و حسگر روتور

برای درک اینکه موتور الکتریکی بدون جاروبک چه کار متفاوتی انجام می دهد، به ردیابی توالی کموتاسیون کمک می کند. استاتور یک موتور BLDC شامل مجموعه‌های متعددی از سیم‌پیچ‌ها است - معمولاً در سه فاز مرتب شده‌اند - که در اطراف دور موتور توزیع شده‌اند. هنگامی که جریان از یک مجموعه سیم پیچ عبور می کند، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که آهنرباهای دائمی روی روتور را جذب یا دفع می کند و گشتاور ایجاد می کند. برای حفظ چرخش، کنترل‌کننده باید تغییر دهد که با چرخش روتور کدام مجموعه سیم‌پیچ انرژی‌دهی می‌شود و همیشه به جای نگه‌داشتن روتور، جاذبه مغناطیسی را نگه می‌دارد که روتور را به سمت جلو بکشد.

این سوئیچینگ مستلزم آن است که کنترلر همیشه موقعیت زاویه ای روتور را بداند. دو روش برای رسیدن به این هدف:

• سنسورهای جلوه هال: سه حسگر کوچک تعبیه شده در استاتور عبور از قطب های مغناطیسی روتور را تشخیص می دهند و سیگنال های موقعیت را به کنترل کننده می فرستند. این متداول ترین رویکرد در موتورهای BLDC صنعتی، خودرویی و لوازم خانگی است که بازخورد قابل اطمینان موقعیت را از حالت سکون تا سرعت کامل ارائه می دهد.
• جابجایی بدون سنسور: کنترل کننده EMF پشتی (نیروی محرکه الکتریکی) تولید شده در فاز سیم پیچ بدون نیرو را برای استنباط موقعیت روتور نظارت می کند. این کار سیم‌کشی و هزینه سنسور را حذف می‌کند، اما قبل از اینکه EMF قابل تشخیص باشد، موتور باید با حداقل سرعت بچرخد - موتورهای بدون حسگر به دنباله راه‌اندازی برای ایجاد سرعت اولیه قبل از انتقال به ردیابی Back-EMF نیاز دارند. رایج در موتورهای هواپیماهای بدون سرنشین، فن های خنک کننده کامپیوتر و کاربردهای RC که سیم کشی ساده در اولویت قرار دارد.

کیفیت زمان بندی کموتاسیون مستقیماً بر راندمان و صاف بودن موتور تأثیر می گذارد. سوئیچینگ فاز با زمان دقیق - کمی جلوتر از موقعیت روتور پیشروی می کند تا اندوکتانس سیم پیچ را در نظر بگیرد - گشتاور خروجی را به ازای هر آمپر جریان ورودی به حداکثر می رساند. کموتاسیون با زمان ضعیف باعث ایجاد موج گشتاور، نویز شنیداری و کاهش کارایی می شود که در کاربردهای کار پیوسته به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.

مزایای موتور BLDC نسبت به انواع برس خورده: جایی که سود بیشتر است

تفاوت عملکرد عملی بین الف موتور BLDC و یک موتور DC برس خورده با اندازه معادل قابل توجه هستند، اگرچه در برخی از کاربردها بیشتر از سایرین اهمیت دارند. مزایا به چهار دسته تقسیم می شوند:

• کارایی: موتورهای براشلس معمولاً در راندمان 85 تا 95 درصد در طیف وسیعی از بار، در مقایسه با 75-85٪ برای موتورهای برس خورده با کیفیت و به طور قابل توجهی کمتر برای انواع برس خورده ارزان قیمت. عدم وجود اصطکاک برس و حذف تلفات مقاومتی در تماس برس-کموتاتور بیشتر این شکاف را تشکیل می دهد. در برنامه‌های باطری - خودروهای برقی، ابزارهای برقی، هواپیماهای بدون سرنشین - این تفاوت راندمان مستقیماً به زمان طولانی‌تر در هر بار شارژ تبدیل می‌شود.
• طول عمر: برس‌ها در موتورهای معمولی با سرعت تقریباً 1 میلی‌متر در هر 100 ساعت کار تحت بار متوسط فرسوده می‌شوند که نیاز به تعویض دوره‌ای دارند و در نهایت عمر موتور را محدود می‌کنند. نقاط سایش اولیه یک موتور BLDC یاتاقان ها هستند که - در یک موتور با طراحی خوب - می توانند 20000 تا 30000 ساعت کار کنند قبل از نیاز به سرویس. این امر موتورهای براشلس را به انتخاب پیش فرض برای هر برنامه ای که دسترسی به تعمیر و نگهداری دشوار یا پرهزینه است تبدیل می کند.
• چگالی توان: از آنجایی که روتور فقط آهنرباهای دائمی را حمل می کند (نه سیم پیچ ها)، می توان آن را برای گشتاور خروجی معین سبکتر و کوچکتر کرد. موتورهای BLDC به طور پیوسته نسبت قدرت به وزن بالاتری نسبت به مشابه‌های برس‌کشی شده دارند و طراحی‌های فشرده‌تری را در کاربردهای محدود به فضا ممکن می‌سازند.
• صدای الکتریکی کم: قوس برس در موتورهای DC معمولی تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را در یک طیف فرکانس وسیع ایجاد می کند. این در ابزارهای ساده قابل مدیریت است، اما در ابزار دقیق، دستگاه‌های پزشکی و محیط‌های الکترونیکی مشکل ساز است. موتورهای براشلس بدون قوس برس تولید می کنند و فیلتر EMI را بسیار ساده تر می کند.

مبادله اصلی هزینه و پیچیدگی کنترل است. یک موتور بدون جاروبک به یک کنترلر الکترونیکی اختصاصی نیاز دارد. یک موتور برس خورده را می توان مستقیماً از منبع DC تنها با یک سوئیچ و مقاومت اختیاری برای کنترل سرعت راه اندازی کرد. برای برنامه‌های کم‌هزینه و کم‌هزینه - اسباب‌بازی‌های ساده، فن‌های پایه، لوازم ارزان قیمت - هزینه کنترل‌کننده اضافه‌شده می‌تواند از مزایای عملکرد بیشتر باشد، به همین دلیل است که موتورهای برس خورده برای بخش‌های حساس به قیمت در تولید باقی می‌مانند.

محل استفاده از موتورهای براشلس و نحوه تشخیص نوع مناسب

موتورهای الکتریکی بدون جاروبک اکنون تقریباً در هر بخش که درایوهای الکتریکی استفاده می شود ظاهر می شوند. در محصولات مصرفی: ابزارهای برقی شارژی (دریل، اره‌های مدور، درایورهای ضربه‌ای)، دوچرخه‌های برقی، جاروبرقی‌های روباتی، و سیستم‌های رانش پهپاد در دهه گذشته تا حد زیادی به درایوهای بدون جاروبک تبدیل شده‌اند. در تنظیمات صنعتی: دوک‌های CNC، درایوهای نوار نقاله، محورهای سروو، کمپرسورهای HVAC و سیستم‌های پمپ برای کارایی و کنترل‌پذیری خود به موتورهای سنکرون BLDC یا مغناطیس دائمی (PMSM - یک توپولوژی نزدیک مرتبط) متکی هستند. در خودرو: فرمان برقی، فن های خنک کننده، پمپ های سوخت و موتورهای کششی خودروهای هیبریدی و تمام برقی همگی بدون برس هستند.

هنگام انتخاب یک موتور BLDC برای یک برنامه خاص، پارامترهای کلیدی که باید مشخص شوند عبارتند از:

• رتبه بندی KV (RPM در هر ولت، عمدتاً در موتورهای سرگرمی و هواپیماهای بدون سرنشین استفاده می شود): موتورهای KV پایین تر گشتاور بیشتری را در سرعت های پایین تر تولید می کنند. موتورهای KV بالاتر با گشتاور کمتر سریعتر می چرخند - مربوط به تطبیق اندازه پروانه با رژیم پرواز.
• رتبه بندی جریان پیوسته و پیک: جریان پیوسته ظرفیت حرارتی حالت پایدار را تعیین می کند. اوج جریان توانایی گشتاور انفجاری را تعیین می کند. هر دو باید با نمایه بار برنامه درایو مطابقت داشته باشند.
• پیکربندی Inrunner در مقابل outrunner: موتورهای Inrunner دارای روتور در داخل استاتور هستند (طرح معمولی) که در RPM بالا با گشتاور کمتر می چرخد - مناسب برای انتقال دنده. موتورهای Outrunner دارای روتور هستند که در اطراف بیرون استاتور می چرخد ​​و گشتاور بیشتری را در RPM پایین تر تولید می کند - که اغلب در برنامه های درایو مستقیم مانند پروانه های پهپاد و موتورهای هاب استفاده می شود.
• نوع سنسور: موتورهای حسگر عملکرد نرم‌تری در سرعت کم و راه‌اندازی ارائه می‌کنند. طرح‌های بدون حسگر مناسب برنامه‌هایی هستند که تقاضای گشتاور راه‌اندازی کم است و سادگی سیم‌کشی اهمیت بیشتری دارد.