Πώς λειτουργεί ένας κινητήρας BLDC: Μια λεπτομερής εξήγηση των αρχών των κινητήρων συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες

Τις τελευταίες δύο έως τρεις δεκαετίες, λόγω της συνεχούς προόδου της ηλεκτρονικής τεχνολογίας και των υλικών μόνιμου μαγνήτη,Μοτέρ BLDCέχουν μετατραπεί από εξειδικευμένους κινητήρες σε κύριες λύσεις ισχύος για διάφορες βιομηχανίες.Μοτέρ BLDCέχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων οικιακών συσκευών, ηλεκτρικών εργαλείων, ηλεκτρικών οχημάτων και εξοπλισμού βιομηχανικού αυτοματισμού λόγω της υψηλής απόδοσης, της υψηλής αξιοπιστίας και της μεγάλης διάρκειας ζωής τους. Ωστόσο, οι αρχές λειτουργίας των κινητήρων BLDC δεν είναι ακόμα γνωστές σε πολλά άτομα. Αυτό το άρθρο θα εξηγήσει ό,τι πρέπει να συνειδητοποιήσετε σχετικά με την αρχή λειτουργίας των κινητήρων BLDC, ώστε να μπορείτε να έχετε μια πιο λεπτομερή εικόνα αυτής της απίστευτης καινοτομίας στη σημερινή ηλεκτρική μηχανική.

Η βασική δομή ενός κινητήρα BLDC

Τώρα, πριν μπούμε στην αρχή λειτουργίας, θα πρέπει να εξοικειωθούμε με τη βασική δομή της:

Στάτης: Στερεωμένος μέσα στο περίβλημα του κινητήρα, αποτελείται γενικά από ελασματοποιημένα φύλλα πυριτίου χάλυβα και περιελίσσονται πηνία γύρω του για να δημιουργήσουν αρκετούς ηλεκτρομαγνητικούς πόλους.

Ρότορας: Ο ρότορας είναι συνήθως τοποθετημένος στον άξονα και περιέχει μόνιμους μαγνήτες. Οι κινητήρες BLDC μπορούν να ταξινομηθούν σε διάφορες ποικιλίες με βάση τις διάφορες διαμορφώσεις των μόνιμων μαγνητών.

Αισθητήρες Hall: Για τον προσδιορισμό της θέσης του ρότορα και την ανάδραση στο ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου.

Ελεγκτής: Ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου που καθορίζει το χρονισμό του ρεύματος που διαρρέει τις περιελίξεις του στάτη με βάση την ανάδραση από τους αισθητήρες Hall ή άλλους μηχανισμούς ανάδρασης.

Αξίζει να σημειωθεί ότι η δομή του κινητήρα BLDC του υπερκείμενου είναι μοναδική από τη δομή του εσωτερικού ρότορα. Ο ρότορας είναι έξω και ο στάτορας είναι μέσα. Αυτός ο τύπος σχεδίασης είναι ιδιαίτερα διαδεδομένος σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ροπή, όπως στην κίνηση των ελίκων των drone.

The Principles of Electromagnetism: The Foundation of BLDC Motor Operation

Δύο βασικές αρχές του ηλεκτρομαγνητισμού καθορίζουν τη λειτουργία ενός κινητήρα BLDC:

Ο νόμος του Ampere: Όταν ένας αγωγός που μεταφέρει ρεύμα βρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο, ο αγωγός θα υποβληθεί σε μια δύναμη. Ο στάτορας ενός κινητήρα BLDC είναι κατασκευασμένος από περιελίξεις χαλκού και αφού ενεργοποιηθούν αυτές οι περιελίξεις, δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο που αλληλεπιδρά μεταξύ των μόνιμων μαγνητών του ρότορα για να δημιουργήσει μια δύναμη που παρέχει τη μηχανική κίνηση για να περιστραφεί ο ρότορας.

Ο νόμος του Faraday για την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή: Μια ηλεκτροκινητική δύναμη θα προκληθεί σε έναν αγωγό όταν κόβει γραμμές μαγνητικού πεδίου ή βρίσκεται σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Χρησιμοποιείται ευρέως στον έλεγχο χωρίς αισθητήρα, όπου η θέση του ρότορα ανιχνεύεται ανιχνεύοντας τις πίσω ηλεκτροκινητικές δυνάμεις.

Αυτές οι αρχές εφαρμόζονται στο σχεδιασμό βιομηχανικών κινητήρων χωρίς ψήκτρες. Αυτό το επιτυγχάνουν ρυθμίζοντας με ακρίβεια το ρεύμα που ρέει μέσω των περιελίξεων του στάτη, διασφαλίζοντας ευνοϊκές ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις με τους μόνιμους μαγνήτες του ρότορα για την επίτευξη υψηλής απόδοσης και σταθερότητας.

Η διαδικασία μεταγωγής ενός κινητήρα BLDC

Ο πιο σημαντικός μηχανισμός λειτουργίας στον κινητήρα BLDC ονομάζεται ηλεκτρονική μεταγωγή. Είναι ο πιο σημαντικός και βασικός παράγοντας διάκρισης μεταξύ κινητήρων χωρίς ψήκτρες και παραδοσιακών κινητήρων με ψήκτρες.

Αρχή της μεταγωγής: Η μεταγωγή είναι η διαδικασία αλλαγής της κατεύθυνσης της ροής του ρεύματος σε σχέση με τα πηνία του κινητήρα έτσι ώστε να υπάρχει συνεχής ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ του ρότορα και του στάτη, η οποία δημιουργεί συνεχή ροπή.

Εναλλαγή έξι βημάτων: Η παραδοσιακή μέθοδος ελέγχου των κινητήρων BLDC χωρίζει τον ηλεκτρικό κύκλο σε έξι βήματα. Σε κάθε βήμα, δύο από τις τριφασικές περιελίξεις τροφοδοτούνται, ενώ η μία φάση είναι απενεργοποιημένη.

Ανάδραση αισθητήρα Hall: Οι αισθητήρες Hall ανιχνεύουν τη θέση των μόνιμων μαγνητών του ρότορα, έτσι ώστε ο ελεγκτής να μπορεί να καθορίσει ποια περιέλιξη πρέπει να ενεργοποιηθεί και την κατεύθυνση ρεύματος.

Έλεγχος χωρίς αισθητήρα: Μια πιο προηγμένη μέθοδος είναι ο προσδιορισμός της θέσης του ρότορα παρακολουθώντας την πίσω ηλεκτροκινητική δύναμη στη φάση που δεν ενεργοποιείται, δεν χρειάζονται αισθητήρες Hall για την εφαρμογή αυτής της πολύπλοκης στρατηγικής, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη αξιοπιστία του κινητήρα.

Οι μεγάλοι κινητήρες BLDC συνήθως υιοθετούν πιο σύνθετες στρατηγικές ελέγχου, όπως η κίνηση ημιτονικού κύματος ή ο διανυσματικός έλεγχος, για να επιτύχουν ομαλότερη απόδοση ροπής και υψηλότερη απόδοση.

Ο ρόλος του ελεγκτή σε ένα σύστημα κινητήρα BLDC

Ο κινητήρας BLDC δεν μπορεί να λειτουργήσει μόνος του και πρέπει να συνδυαστεί με έναν εξειδικευμένο ηλεκτρονικό ελεγκτή:

Ο οδηγός κινητήρα: Συνήθως ένας τριφασικός μετατροπέας γέφυρας που βασίζεται σε power MOSFET ή IGBT που αλλάζει την τρέχουσα διαδρομή σύμφωνα με το σήμα ελέγχου

Μικροελεγκτής: Λαμβάνει σήματα από τον αισθητήρα θέσης, εκτελεί αλγόριθμους ελέγχου και παράγει σήματα PWM για την οδήγηση των ηλεκτρικών συσκευών.

Έλεγχος κλειστού βρόχου: Παρέχει ακριβή έλεγχο ταχύτητας ή έλεγχο θέσης με βάση τις ανάγκες της εφαρμογής.

Λειτουργία ασφαλούς προστασίας: προστασία από υπερβολικό ρεύμα, προστασία από υπερβολική θερμοκρασία, προστασία υπό τάση κ.λπ.

Οι εφαρμογές για συστήματα κινητήρων 48V BLDC είναι ευρέως διαδεδομένες σε ηλεκτρικά ποδήλατα, μικρά ηλεκτρικά οχήματα και ορισμένες άλλες βιομηχανικές εφαρμογές. Ο ελεγκτής και τα κυκλώματα χειρισμού του πρέπει να αντιμετωπίζουν υψηλότερες τάσεις και ρεύματα και συνήθως έχουν ένα πιο σύνθετο σύνολο λειτουργιών απόδοσης και προστασίας.

Τα χαρακτηριστικά απόδοσης και τα σενάρια εφαρμογής των κινητήρων BLDC

Τώρα ας ρίξουμε μια ματιά στα πλεονεκτήματα απόδοσής τους μετά την εκμάθηση των αρχών λειτουργίας του κινητήρα BLDC:

Υψηλή απόδοση: Λόγω της απουσίας απωλειών τριβής από βούρτσες και μεταγωγείς, η απόδοσή τους είναι συνήθως πάνω από 85%, ακόμη και πάνω από 95% σε ορισμένες περιπτώσεις.

Χαρακτηριστικά καλής ταχύτητας-ροπής: Παρέχει ένα ευρύ φάσμα απόδοσης ροπής.

Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής: Χωρίς μηχανικά στοιχεία φθοράς, η διάρκεια ζωής περιορίζεται τελικά μόνο από τα ρουλεμάν.

Βελτιωμένη απόδοση απαγωγής θερμότητας: Άμεση επαφή μεταξύ των περιελίξεων του στάτη και του περιβλήματος του κινητήρα για πιο αποτελεσματική απαγωγή θερμότητας.

Χαμηλό θόρυβο και ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές: Δεν υπάρχουν σπινθήρες και θόρυβος που δημιουργούνται από την εναλλαγή βούρτσας.

Λόγω της ειδικής δομής του, ο κινητήρας BLDC outrunner είναι πιο ικανός να παρέχει υψηλότερη ροπή σε χαμηλές ταχύτητες, καθιστώντας τον ιδιαίτερα κατάλληλο για συστήματα άμεσης μετάδοσης κίνησης, όπως έλικες και ανεμιστήρες drone, κ.λπ.

Οι αλγόριθμοι ελέγχου των κινητήρων BLDC

Η πιο ανεπτυγμένη σύγχρονη τεχνολογία ελέγχου BLDC έχει ξεπεράσει αυτήν την απλή μέθοδο μεταγωγής έξι βημάτων:

Τραπεζοειδής έλεγχος κυμάτων: Η πιο βασική μέθοδος ελέγχου είναι η κυματομορφή τραπεζοειδούς ρεύματος. Είναι απλό στην εφαρμογή του, αλλά παράγει κυματισμούς ροπής σημαντικού πλάτους.

Ημιτονοειδής έλεγχος: κίνηση του κινητήρα με ημιτονοειδές ρεύμα, το οποίο μπορεί να μειώσει τον κυματισμό της ροπής του κινητήρα και να κάνει τη λειτουργία πιο ομαλή.

Έλεγχος με προσανατολισμό πεδίου (FOC): Εφαρμόζοντας έναν μαθηματικό μετασχηματισμό, το ρεύμα 3 φάσεων μεταφράζεται στο περιστρεφόμενο σύστημα συντεταγμένων για έλεγχο, οδηγώντας σε βέλτιστο έλεγχο ροπής και ενεργειακή απόδοση.

Τεχνολογία σύντηξης αισθητήρων: Ενσωματώνει πολλαπλά σήματα ανάδρασης (π.χ. αισθητήρες Hall, κωδικοποιητές και δειγματοληψία ρεύματος) για καλύτερη ακρίβεια ελέγχου και ευρωστία.

Λόγω των προκλήσεων σε εφαρμογές υψηλής ισχύος, όπως η θερμική διαχείριση, η βελτιστοποίηση της απόδοσης και η δυναμική απόκριση, χρησιμοποιούνται συνήθως πιο εξελιγμένοι αλγόριθμοι ελέγχου για κινητήρες Big BLDC.

Συμπέρασμα: Οι αρχές λειτουργίας και τα πλεονεκτήματα των κινητήρων BLDC

Μοτέρ BLDCελέγξτε με ακρίβεια το ρεύμα στις περιελίξεις του στάτη μέσω ενός ηλεκτρονικού συστήματος ελέγχου και αλληλεπιδράστε με τους μόνιμους μαγνήτες του ρότορα για να επιτύχετε αποτελεσματική μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια. Από μικρές ηλεκτρονικές συσκευές ευρείας κατανάλωσης έως μεγάλο βιομηχανικό εξοπλισμό, από εφαρμογές χαμηλής τάσης έως συστήματα κινητήρων 48 V BLDC, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες, με την υψηλή απόδοση, την υψηλή αξιοπιστία και την εξαιρετική απόδοση ελέγχου, οδηγούν την τεχνολογική πρόοδο και τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης σε διάφορους κλάδους. Με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας ηλεκτρονικού ελέγχου και των υλικών μόνιμου μαγνήτη, μπορούμε να προβλέψουμε ότι οι κινητήρες BLDC θα έχουν ευρύτερη προοπτική εφαρμογής και πιο εξαιρετική απόδοση.

Εάν ενδιαφέρεστε για τα προϊόντα μας ή έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις, μη διστάσετε να το κάνετεεπικοινωνήστε μαζί μαςκαι θα σας απαντήσουμε εντός 24 ωρών.