موتور براشلس چیست؟ چگونه کار می کند، نمودارها و انواع DC توضیح داده شده است

موتور براشلس چیست؟

موتور بدون جاروبک یک موتور الکتریکی است که نیروی چرخشی را از طریق میدان‌های مغناطیسی با تغییر الکترونیکی تولید می‌کند و برس‌های کربنی فیزیکی و حلقه کموتاتور مکانیکی مورد استفاده در موتورهای برس‌دار معمولی را حذف می‌کند. یک موتور بدون جاروبک به جای تکیه بر کنتاکت‌های الکتریکی کشویی برای تغییر جهت جریان از طریق سیم‌پیچ‌های روتور، از یک کنترل‌کننده الکترونیکی اختصاصی - ESC (کنترل‌کننده سرعت الکترونیکی) یا درایور BLDC - استفاده می‌کند تا جریان را از طریق سیم‌پیچ‌های ثابت استاتور در زمان‌بندی دقیق با موقعیت روتور ترتیب دهد. روتور خود حامل آهنرباهای دائمی است و اصلاً اتصال الکتریکی ندارد.

این تغییر معماری سه پیامد فوری دارد. اول، هیچ اصطکاک یا قوس برس وجود ندارد - منبع اصلی گرما، سایش، و از دست دادن کارایی در طرح های برس خورده. دوم، سیم‌پیچ‌های مولد گرما روی استاتور قرار دارند که در تماس مستقیم با محفظه موتور است و می‌تواند به صورت غیرفعال یا فعال خنک شود. در یک موتور برس خورده، گرما در داخل روتور چرخان ایجاد می‌شود که دفع آن دشوار است. سوم، زمان‌بندی کموتاسیون را می‌توان در نرم‌افزار برای هر شرایط عملیاتی بهینه‌سازی کرد، و به موتور اجازه می‌دهد با حداکثر راندمان در محدوده وسیعی از RPM و بار کار کند. موتورهای براشلس معمولاً 85 تا 95 درصد راندمان دارند ، در مقایسه با 75 تا 80 درصد برای طرح های برس خورده معادل.

اصطلاح "موتور بدون جاروبک" معمولاً به موتور DC بدون جاروبک (BLDC) اشاره دارد که توسط ولتاژ DC تغذیه می شود و از کموتاسیون الکترونیکی برای تقریب میدان مغناطیسی دوار یک موتور AC استفاده می کند. موتورهای AC بدون جاروبک - از جمله موتورهای سنکرون آهنربای دائم (PMSM) - بر اساس یک اصل فیزیکی کار می کنند، اما به جای سوئیچینگ DC ذوزنقه ای، توسط شکل موج های AC سینوسی هدایت می شوند. در استفاده روزمره، "موتور بدون جاروبک" و "موتور BLDC" به جای یکدیگر در وسایل الکترونیکی مصرفی، ابزارهای برقی، هواپیماهای بدون سرنشین، وسایل نقلیه الکتریکی و اتوماسیون صنعتی استفاده می شود.

نمودار a موتور DC بدون جاروبک : ساختار داخلی

درک نمودار موتور DC بدون جاروبک مستلزم شناسایی پنج عنصر کاربردی است: استاتور، روتور، آهنرباهای دائمی، حسگرهای اثر هال و کنترل کننده خارجی. بر خلاف نمودار موتور برس خورده - که نشان می دهد برس ها بر روی یک حلقه کموتاتور تقسیم شده روی محور چرخان فشار می آورند - یک نمودار BLDC تمام پیچیدگی های الکتریکی را در بدنه بیرونی ثابت نشان می دهد، با یک مجموعه آهنربایی ساده که در داخل یا خارج آن می چرخد.

استاتور (سیم پیچ های ثابت)

استاتور ساختار بیرونی ثابت یک موتور BLDC داخلی (یا حلقه داخلی در یک موتور بیرونی) است. این شامل هسته‌های فولادی سیلیکونی چند لایه - که به شکل یک ستاره یا هندسه قطب برجسته - مهر و موم شده‌اند - با سیم پیچ‌های مسی که به سه فاز مرتب شده‌اند، پیچیده شده‌اند: فاز A، فاز B، و فاز C. این سه فاز یا در یک پیکربندی ستاره (Y) به هم متصل می‌شوند، جایی که هر سه سیم‌پیچ دارای یک نقطه خنثی مشترک هستند، یا در یک سیم‌پیچ سه‌گانه (Δ) متصل می‌شوند. سیم کشی ستاره رایج تر است در موتورهای BLDC زیرا گشتاور بالاتری را در RPM پایین تولید می کند و طراحی کنترلر را ساده می کند. سیم کشی دلتا در جایی ترجیح داده می شود که حداکثر توان با سرعت بالا در اولویت باشد.

تعداد شیارهای استاتور و قطب های روتور ویژگی اساسی موتور را مشخص می کند. یک پیکربندی 12 شیار و 14 قطبی (که در موتورهای پهپاد رایج است) گشتاور صاف با گیره کم تولید می کند. طراحی 9 شیار و 12 قطبی به دلیل تعادل چگالی گشتاور و سادگی ساخت در ابزارهای برقی محبوب است. تعداد شیارها و قطب ها فرکانس چرخه الکتریکی را نیز تعیین می کند - یک موتور 14 قطبی 7 چرخه الکتریکی را در هر دور مکانیکی کامل می کند، به این معنی که کنترل کننده آن باید 7× سریعتر جریان را در هر چرخش شفت نسبت به یک موتور 2 قطبی در همان RPM تغییر دهد.

روتور (آهنربای دائمی)

در موتور BLDC داخلی - پیکربندی استاندارد در ابزارهای برقی، هارد دیسک ها و اکثر موتورهای صنعتی - روتور در داخل سوراخ استاتور قرار می گیرد. این شامل یک محور فولادی با آهنرباهای دائمی است که روی سطح آن نصب شده یا در آن تعبیه شده است. روتورهای آهنربایی نصب شده روی سطح (SPM) برای ساخت ساده‌تر هستند و در طراحی‌های کم‌هزینه غالب هستند. روتورهای آهنربای دائم داخلی (IPM) آهنرباها را در داخل لایه‌های روتور تعبیه می‌کنند، که امکان گشتاور رلوکتانس بالاتر و تضعیف شار بهتر را برای محدوده‌های سرعت طولانی فراهم می‌کند. موتورهای کششی وسایل نقلیه الکتریکی تقریباً به طور کلی از طرح های روتور IPM استفاده می کنند.

موتورهای BLDC Outrunner این هندسه را معکوس می کنند: مجموعه آهنربای دائمی در اطراف بیرون یک استاتور ثابت می چرخد. این امر به پیشی نشینان بازوی گشتاور بزرگتری برای تولید گشتاور می دهد و آنها را به طور طبیعی برای کاربردهای درایو مستقیم مناسب می کند - ملخ های پهپاد و موتورهای هاب دوچرخه برقی بار را مستقیماً روی پوسته بیرونی چرخان نصب می کنند و جعبه دنده ها را حذف می کنند. پیشتازان تولید می کنند گشتاور بالاتر در RPM کمتر نسبت به اینرانرهای معادل، در حالی که اینرانرها سریعتر می چرخند و بهتر با برنامه های با سرعت بالا و دنده تطبیق داده می شوند.

سنسورهای اثر هال

اکثر موتورهای BLDC شامل سه حسگر اثر هال هستند که در فواصل 120 درجه (یا 60 درجه در برخی تنظیمات) در استاتور نصب شده اند. هر سنسور میدان مغناطیسی آهنرباهای روتور عبوری را تشخیص می‌دهد و یک سیگنال دوتایی - زیاد یا کم - را بسته به اینکه قطب شمال یا جنوب مجاور آن است، خروجی می‌دهد. سه حسگر با هم یک کد موقعیت 3 بیتی تولید می کنند (به عنوان مثال، 101، 001، 011، 010، 110، 100) که در شش حالت منحصر به فرد در هر چرخه الکتریکی می چرخد، و به کنترل کننده وضوح موقعیت کافی برای تعیین فاز استاتور را در هر لحظه می دهد. این قلب منطق کموتاسیون موتور بدون جاروبک است: خروجی سنسور هال ← کنترلر موقعیت روتور را رمزگشایی می کند ← جفت فاز صحیح را سوئیچ می کند .

موتورهای BLDC بدون سنسور حسگرهای هال را به طور کامل حذف می‌کنند و در عوض با نظارت بر EMF عقب (نیروی محرکه الکتریکی) ایجاد شده در سیم‌پیچ فاز بدون انرژی، هنگام عبور آهنرباهای روتور، موقعیت روتور را تشخیص می‌دهند. طراحی‌های بدون حسگر ساده‌تر، فشرده‌تر و کم‌هزینه‌تر هستند - غالب در هواپیماهای بدون سرنشین، فن‌های خنک‌کننده رایانه‌های شخصی و لوازم خانگی - اما قبل از اینکه EMF پشتی قابل تشخیص باشد، باید روتور در حال چرخش باشد. به همین دلیل است که موتورهای بدون حسگر به دنباله راه اندازی (کموتاسیون اجباری حلقه باز) قبل از تغییر به ردیابی پشتی-EMF حلقه بسته نیاز دارند، و به همین دلیل است که می توانند در راه اندازی مطمئن تحت بار سنگین تردید کنند یا شکست بخورند.

موتورهای براشلس چگونه کار می کنند: دنباله کموتاسیون

اصل کار یک موتور بدون جاروبک، جاذبه و دافعه الکترومغناطیسی بین آهنرباهای الکترومغناطیسی قابل تعویض استاتور و آهنرباهای دائمی ثابت روتور است. کنترل کننده به طور مداوم یک میدان مغناطیسی دوار در استاتور با انرژی دادن به سیم پیچ ها در یک دنباله خاص ایجاد می کند. آهنرباهای دائمی روتور این میدان دوار را تعقیب می کنند و گشتاور مغناطیسی را به چرخش شفت مکانیکی تبدیل می کنند.

در موتور سه فاز BLDC با کموتاسیون ذوزنقه ای - رویکرد استاندارد برای موتورهای مجهز به سنسور هال - فقط دو فاز از سه فاز در هر لحظه برق می زنند. توالی کموتاسیون شش مرحله ای کنترلر به صورت زیر عمل می کند:

1. مرحله 1: فاز A مثبت، فاز B منفی، فاز C خاموش. میدان مغناطیسی حاصل، نزدیکترین آهنربای روتور را به سمت جفت قطب استاتور AB می کشد.
2. مرحله ۲: فاز A مثبت، فاز C منفی، فاز B خاموش. میدان به صورت الکتریکی 60 درجه می چرخد. روتور به دنبال دارد.
3. مرحله 3: فاز B مثبت، فاز C منفی، فاز A خاموش. میدان 60 درجه دیگر می چرخد.
4. مرحله 4: فاز B مثبت، فاز A منفی، فاز C خاموش. چرخش ادامه دارد.
5. مرحله 5: فاز C مثبت، فاز A منفی، فاز B خاموش.
6. مرحله 6: فاز C مثبت، فاز B منفی، فاز A خاموش. یک چرخه کامل الکتریکی کامل شده است. دنباله تکرار می شود

هر مرحله میدان پرانرژی را کمی جلوتر از موقعیت فعلی روتور نگه می‌دارد - مانند هویج که همیشه در جلوی روتور قرار دارد. روتور هرگز نمی رسد زیرا به محض نزدیک شدن به موقعیت میدان فعلی، کنترل کننده به مرحله بعدی پیش می رود. سرعت با تغییر ولتاژ اعمال شده به سیم پیچ ها کنترل می شود معمولاً از طریق PWM (مدولاسیون عرض پالس) روی کلیدهای سمت بالا پل اینورتر سه فاز کنترلر. گشتاور توسط مقدار جریان فاز کنترل می شود. رابطه بین این دو متغیر - و بهینه سازی بلادرنگ آنها - چیزی است که یک درایور BLDC پایه را از یک سیستم کنترل میدان گرا (FOC) پیچیده جدا می کند.

کنترل میدان گرا در مقابل کموتاسیون ذوزنقه ای

کموتاسیون ذوزنقه ای به طور ناگهانی بین شش مرحله سوئیچ می کند و یک موج گشتاور - یک تغییر دوره ای در گشتاور خروجی - در شش برابر فرکانس الکتریکی ایجاد می کند. در سرعت های پایین، این ریپل نویز و لرزش قابل شنیدن ایجاد می کند. در سرعت های بالا ناچیز می شود. کنترل میدان گرا (FOC)، که کموتاسیون سینوسی یا کنترل برداری نیز نامیده می شود، جریان های سینوسی متغیر پیوسته را به هر سه فاز به طور همزمان اعمال می کند و یک میدان مغناطیسی چرخشی کاملاً صاف ایجاد می کند. نتیجه این است موج گشتاور نزدیک به صفر، عملکرد آرام تر، و 5 تا 15 درصد راندمان بالاتر در بارهای جزئی FOC به قدرت محاسباتی بیشتری (یک میکروکنترلر DSP یا ARM Cortex که با ده‌ها مگاهرتز کار می‌کند) و سنجش جریان دقیق در هر سه فاز نیاز دارد، به همین دلیل است که در ابزارهای برقی ممتاز، خودروهای برقی و درایوهای سروو صنعتی استاندارد است اما در محصولات مصرف‌کننده حساس به هزینه کمتر رایج است.

موتور بدون جاروبک در مقابل موتور براش: تفاوت‌های عملکردی که مهم هستند

نمودار موتور الکتریکی بدون جاروبک در مقابل نمودار موتور برس‌شده، مبادله هسته‌ای را نشان می‌دهد: موتورهای برس‌شده از نظر مکانیکی خود جابجا می‌شوند (الکترونیک درایو ساده‌تر، هزینه سیستم پایین‌تر) در حالی که موتورهای بدون جاروبک پیچیدگی را به کنترل‌کننده تغییر می‌دهند و در ازای آن مزایای عملکردی قابل‌توجهی کسب می‌کنند.

قوس برس مخصوصاً در کاربردهایی که EMI (تداخل الکترومغناطیسی) یک نگرانی است، مهم است - دستگاه‌های پزشکی، تجهیزات اندازه‌گیری دقیق و سیستم‌های RF. یک کموتاتور موتور برس خورده نویز الکتریکی باند پهن را در سراسر طیف فرکانس تولید می کند که می تواند به مدارهای حساس نزدیک متصل شود. در مقابل، موتورهای بدون جاروبک، نویز سوئیچینگ را فقط در فرکانس PWM و هارمونیک‌های آن تولید می‌کنند - یک منبع تداخل قابل کنترل و قابل پیش‌بینی که می‌تواند با اجزای استاندارد سرکوب EMI فیلتر شود.

مشخصات کلیدی در برگه اطلاعات موتور DC بدون جاروبک

انتخاب یک موتور DC بدون جاروبک برای یک برنامه کاربردی مستلزم تفسیر چندین مشخصات وابسته به هم است که در برگه‌های اطلاعات موتور براش دیده نمی‌شوند. درک این ارقام از کاربرد نادرست جلوگیری می کند - به ویژه دست کم گرفتن نیازهای کنترلر، که رایج ترین خطای مشخصات در طراحی سیستم موتور بدون جاروبک است.

• رتبه بندی KV (RPM/V) - سرعت بی باری که موتور به ازای هر ولت DC اعمال شده تولید می کند، بدون نیاز به تبدیل واحد. یک موتور 1000 کیلوولت با ولتاژ 12 ولت در حدود 12000 دور در دقیقه بدون بار می چرخد. KV بالاتر = سریعتر، گشتاور کمتر. KV کمتر = کندتر، گشتاور بیشتر. موتورهای رانش پهپاد معمولاً از 300 کیلو ولت (پایه های بزرگ و آهسته) تا 2500 کیلو ولت (پایه های کوچک و سریع) متغیر است.
• جریان پیوسته و پیک (A) - جریان پیوسته بار پایداری است که موتور می تواند بدون گرم شدن بیش از حد تحمل کند. جریان اوج حداکثر لحظه ای در طول شتاب یا توقف است. میزان جریان کنترلر باید از حداکثر جریان موتور بیشتر باشد - کوچک کردن ESC باعث خرابی FET در هنگام شتاب گیری سخت می شود.
• مقاومت فاز (mΩ) - مقاومت سیم پیچ بین هر پایانه دو فاز. مقاومت کمتر به معنای تلفات مس کمتر (گرمایش I²R) در یک جریان معین است، اما همچنین به معنای جریان توقف بیشتر است که اگر جریان محدود نباشد، می تواند به کنترل کننده آسیب برساند.
• ثابت گشتاور (Nm/A) — گشتاور خروجی تولید شده به ازای هر آمپر جریان فاز، به طور مستقیم با KV با رابطه معکوس Kt = 60/(2π × KV) مرتبط است. این رقم تعیین می کند که برنامه در حداکثر گشتاور تقاضای خود به چه مقدار جریان نیاز دارد.
• تعداد قطب ها - مورد نیاز کنترل کننده برای محاسبه فرکانس کموتاسیون صحیح. یک موتور 14 قطبی در 3000 RPM به کنترلر نیاز دارد که 7 × 3000/60 = 350 سیکل الکتریکی در ثانیه را اجرا کند - حداقل 2100 رویداد سوئیچینگ در ثانیه در کموتاسیون ذوزنقه ای.
• حسگر در مقابل بدون سنسور - آیا موتور دارای حسگرهای جلوه هال است یا خیر. موتورهای حسگر به یک کنترلر با ورودی سنسور هال نیاز دارند. موتورهای بدون سنسور به یک کنترلر با تشخیص Back-EMF نیاز دارند. مخلوط کردن اینها - راه اندازی یک موتور حسگر بر روی یک کنترل کننده بدون سنسور - منجر به راه اندازی غیرقابل اعتماد و مغناطیس زدایی بالقوه می شود.

محل استفاده از موتورهای براشلس: کاربردها بر اساس بخش

موتورهای بدون جاروبک در دو دهه گذشته تقریباً در تمامی برنامه‌های کاربردی که از نظر عملکرد حیاتی هستند، جایگزین طرح‌های برس‌شده شده‌اند که ناشی از کاهش هزینه‌های کنترل‌کننده و تقاضا برای فواصل سرویس طولانی‌تر و چگالی توان بالاتر است.

لوازم الکترونیکی مصرفی و لوازم خانگی

موتورهای اسپیندل درایو دیسک سخت یکی از اولین کاربردهای بدون براش در بازار انبوه بودند - کنترل سرعت دقیق و نیازهای عمر طولانی دوک‌های HDD باعث شد که موتورهای براش از همان ابتدا غیرعملی باشند. امروزه فن های خنک کننده رایانه شخصی، موتورهای درام ماشین لباسشویی، جاروبرقی های روباتیک و ابزارهای برقی بی سیم همگی از موتورهای BLDC به صورت استاندارد استفاده می کنند. یک مته شارژی درجه یک با موتور بدون برس ارائه می دهد 25 تا 50 درصد زمان اجرا بیشتر در هر بار شارژ در مقابل معادل برس خورده ولتاژ یکسان، زیرا راندمان بالاتر انرژی باتری بیشتری را به جای گرما به کار مفید تبدیل می کند.

پهپادها و برنامه های کاربردی RC

پهپادهای مولتی روتور برای تولید نیروی رانش کاملاً به موتورهای پیشتاز BLDC - معمولاً سه فاز، بدون سنسور و محرک مستقیم - وابسته هستند. ترکیبی از نسبت قدرت به وزن بالا، کنترل دقیق سرعت الکترونیکی، و عدم وجود برس های نیاز به تعمیر و نگهداری، BLDC را به تنها فناوری پیشرانه قابل دوام برای پهپادهای مصرفی و تجاری تبدیل می کند. یک موتور پهپاد مسابقه ای FPV معمولی 5 اینچی (اندازه قاب 2306، 2400 کیلوولت) کمتر از 35 گرم وزن دارد و بیش از 1 کیلوگرم نیروی رانش در اوج جریان تولید می کند - چگالی توانی که موتورهای برس خورده نمی توانند به آن نزدیک شوند.

وسایل نقلیه الکتریکی

موتورهای کششی EV عمدتاً طرح‌های آهنربای دائم داخلی BLDC (یا PMSM) هستند که توسط اینورترهای FOC که از بسته باتری ولتاژ بالا کشیده می‌شوند، کنترل می‌شوند. موتور عقب تسلا در مدل 3 یک طراحی ریلانس سوئیچ شده است، اما موتور جلو یک PMSM است - برای کارایی آن در تمام محدوده سرعت رانندگی در بزرگراه انتخاب شده است. BMW i3 و اکثر مدل های هیوندای/کیا EV از موتورهای IPM BLDC استفاده می کنند. حداکثر توان خروجی از 150 کیلووات در خودروهای برقی فشرده تا بیش از 500 کیلووات در کاربردهای عملکردی متغیر است که همگی توسط اینورترهای سه فاز درجه یک خودرو با دقت سوئیچینگ در سطح میکروثانیه مدیریت می‌شوند.

اتوماسیون صنعتی و رباتیک

سروو موتورها در ماشین‌های CNC، بازوهای رباتیک و سیستم‌های نوار نقاله تقریباً منحصراً بدون جاروبک هستند - ترکیبی از کنترل FOC، رمزگذارهای با وضوح بالا و بازخورد حلقه بسته، دقت موقعیت‌یابی را تا حدود میکرون و تنظیم سرعت را تا 0.01٪ در سراسر تغییرات بار ارائه می‌کند. در محیط‌هایی با گازهای انفجاری یا گرد و غبار ریز (فرآوری غلات، کارخانه‌های شیمیایی، معدن)، موتورهای براشلس با محفظه‌های مهر و موم شده، خطر اشتعال ایجاد قوس برس را از بین می‌برند، و آنها را برای گواهی‌های مکان خطرناک ATEX و IECEx که موتورهای برس‌کشی شده نمی‌توانند برآورده کنند، واجد شرایط هستند.