Ako funguje BLDC motor: Podrobné vysvetlenie princípov bezkomutátorových jednosmerných motorov

Počas posledných dvoch až troch desaťročí, vďaka neustálemu pokroku v oblasti elektronických technológií a materiálov s permanentnými magnetmi,BLDC motorysa transformovali z motorov pre špecializované segmenty na bežné energetické riešenia pre rôzne priemyselné odvetvia.BLDC motorysa široko používajú v aplikáciách vrátane domácich spotrebičov, elektrického náradia, elektrických vozidiel a zariadení priemyselnej automatizácie vďaka ich vysokej účinnosti, vysokej spoľahlivosti a dlhej životnosti. Princípy fungovania BLDC motorov však stále nie sú mnohým jednotlivcom známe. Tento článok vysvetlí všetko, čo si musíte uvedomiť o princípe fungovania BLDC motorov, aby ste mohli získať podrobnejší pohľad na túto neuveriteľnú inováciu v súčasnej elektrotechnike.

Základná konštrukcia BLDC motora

Predtým, ako sa dostaneme k princípu fungovania, mali by sme sa oboznámiť s jeho základnou štruktúrou:

Stator: Upevnený vo vnútri krytu motora, vo všeobecnosti je vyrobený z laminovaných plechov z kremíkovej ocele a okolo neho sú navinuté cievky, aby vytvorili niekoľko pólov elektromagnetu.

Rotor: Rotor  je zvyčajne namontovaný na hriadeli a obsahuje permanentné magnety. BLDC motory môžu byť rozdelené do niekoľkých druhov na základe rôznych konfigurácií permanentných magnetov.

Hallove senzory: Na určenie polohy rotora a spätnej väzby na elektronický riadiaci systém.

Regulátor: Elektronický riadiaci systém, ktorý určuje časovanie prúdu, ktorý preteká vinutiami statora na základe spätnej väzby od Hallových snímačov alebo iných spätnoväzbových mechanizmov.

Stojí za zmienku, že konštrukcia BLDC motora outrunner je jedinečná z vnútornej štruktúry rotora. Rotor je vonku a stator je vo vnútri. Tento typ konštrukcie prevláda najmä v aplikáciách, ktoré si vyžadujú vysoký krútiaci moment, ako napríklad pri pohone vrtúľ dronov.

Princípy elektromagnetizmu: Základ prevádzky motora BLDC

Prevádzku BLDC motora určujú dva základné princípy elektromagnetizmu:

Ampérov zákon: Keď je vodič s prúdom v magnetickom poli, na vodič bude pôsobiť sila. Stator motora BLDC je skonštruovaný zo stočených medených vinutí a potom, čo sú tieto vinutia napájané, vytvárajú magnetické pole, ktoré interaguje medzi permanentnými magnetmi rotora a vytvára silu, ktorá zabezpečuje mechanický pohyb otáčania rotora.

Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie: Elektromotorická sila sa indukuje vo vodiči, keď pretína siločiary magnetického poľa alebo je v meniacom sa magnetickom poli. Je široko používaný v bezsenzorovom riadení, kde sa poloha rotora zisťuje snímaním spätných elektromotorických síl.

Tieto princípy sú aplikované pri konštrukcii priemyselných bezkomutátorových motorov. Dosahujú to jemnou reguláciou prúdu pretekajúceho statorovými vinutiami, čím zabezpečujú priaznivé elektromagnetické interakcie s permanentnými magnetmi rotora na dosiahnutie vysokej účinnosti a stability.

Proces komutácie motora BLDC

Najdôležitejší pracovný mechanizmus v motore BLDC sa nazýva elektronická komutácia. Je to najdôležitejší a kľúčový rozlišovací faktor medzi bezkomutátorovými motormi a tradičnými kefovanými motormi.

Princíp komutácie: Komutácia je proces zmeny smeru toku prúdu vzhľadom na cievky motora tak, že medzi rotorom a statorom môže existovať nepretržitá elektromagnetická interakcia, ktorá vytvára nepretržitý krútiaci moment.

Šesťstupňová komutácia: Tradičná metóda riadenia motorov BLDC rozdeľuje elektrický cyklus do šiestich krokov. V každom kroku sú napájané dve z trojfázových vinutí, pričom jedna fáza je vypnutá.

Spätná väzba Hallovho senzora: Hallove senzory zisťujú polohu permanentných magnetov rotora, takže regulátor môže určiť, ktoré vinutie by malo byť napájané a smer prúdu.

Bezsenzorové riadenie: Pokročilejšou metódou je určenie polohy rotora monitorovaním zadnej elektromotorickej sily vo fáze bez napätia, na implementáciu tejto komplexnej stratégie nie sú potrebné Hallove senzory, výsledkom čoho je väčšia spoľahlivosť pohonu.

Veľké BLDC motory zvyčajne prijímajú komplexnejšie riadiace stratégie, ako je sínusový pohon alebo vektorové riadenie, aby sa dosiahol hladší výstup krútiaceho momentu a vyššia účinnosť.

Úloha ovládača v motorovom systéme BLDC

BLDC motor nemôže fungovať sám o sebe a je potrebné ho skombinovať so špecializovaným elektronickým ovládačom:

Ovládač motora: Zvyčajne trojfázový mostový invertor založený na výkonovom MOSFET alebo IGBT, ktorý prepína prúdovú dráhu podľa riadiaceho signálu

Mikrokontrolér: Prijíma signály zo snímača polohy, vykonáva riadiace algoritmy a generuje signály PWM na pohon výkonových zariadení.

Riadenie v uzavretej slučke: Poskytuje presné riadenie rýchlosti  alebo riadenie polohy na základe potrieb aplikácie.

Bezpečná ochranná funkcia: ochrana proti nadmernému prúdu, ochrana proti nadmernej teplote, ochrana proti podpätiu atď.

Aplikácie pre 48V BLDC motorové systémy sú rozšírené v elektrických bicykloch, malých elektrických vozidlách a niektorých ďalších priemyselných aplikáciách. Jeho riadiace a manipulačné obvody sa musia vysporiadať s vyššími napätiami a prúdmi a zvyčajne majú komplexnejšiu sadu výkonových a ochranných funkcií.

Výkonové charakteristiky a aplikačné scenáre BLDC motorov

Teraz sa pozrime na ich výkonnostné výhody po tom, čo sme sa naučili princípy fungovania BLDC motora:

Vysoká účinnosť: Vzhľadom na absenciu strát trením z kief a komutátorov je ich účinnosť zvyčajne nad 85 %, v niektorých prípadoch dokonca nad 95 %.

Dobrá charakteristika otáčok a krútiaceho momentu: Poskytuje široký rozsah výstupného krútiaceho momentu.

Dlhšia životnosť: Bez prvkov mechanického opotrebovania je životnosť v konečnom dôsledku obmedzená len ložiskami.

Vylepšená účinnosť odvádzania tepla: Priamy kontakt medzi vinutím statora a krytom motora pre efektívnejší odvod tepla.

Nízka hlučnosť a elektromagnetické rušenie: Neexistujú žiadne iskry a hluk generovaný komutáciou kefou.

Vďaka svojej špeciálnej štruktúre je vonkajší BLDC motor schopnejší poskytovať vyšší krútiaci moment pri nízkych rýchlostiach, vďaka čomu sú obzvlášť vhodné pre systémy priameho pohonu, ako sú vrtule a ventilátory dronov atď. Vďaka výhodám stability a odolnosti je bezkomutátorový motor voľbou napájacieho zdroja v automatizačných zariadeniach a presných prístrojoch.

Riadiace algoritmy BLDC motorov

Rozvinutejšia moderná technológia riadenia BLDC prekonala túto jednoduchú šesťkrokovú metódu komutácie:

Riadenie lichobežníkových vĺn: Najzákladnejšou metódou riadenia je lichobežníkový priebeh prúdu. Dá sa jednoducho uviesť do praxe, ale vytvára vlnenie krútiaceho momentu so značnou amplitúdou.

Sínusové ovládanie: poháňanie motora sínusovým prúdom, čo môže znížiť zvlnenie krútiaceho momentu motora a zabezpečiť plynulejší chod.

Riadenie orientované na pole (FOC): Aplikáciou matematickej transformácie sa 3-fázový prúd prenáša do rotačného súradnicového systému na riadenie, čo vedie k optimálnej regulácii krútiaceho momentu a energetickej účinnosti.

Technológia senzorovej fúzie: Integruje viacero spätnoväzbových signálov (napr. Hallove senzory, kódovače a vzorkovanie prúdu) pre lepšiu presnosť a robustnosť riadenia.

Kvôli výzvam vo vysokovýkonných aplikáciách, ako je tepelné riadenie, optimalizácia účinnosti a dynamická odozva, sa pre motory Big BLDC zvyčajne používajú sofistikovanejšie riadiace algoritmy.

Záver: Pracovné princípy a výhody BLDC motorov

BLDC motorypresne reguluje prúd vo vinutí statora prostredníctvom elektronického riadiaceho systému a interaguje s permanentnými magnetmi rotora, aby sa dosiahla efektívna premena elektrickej energie na mechanickú energiu. Od malých spotrebných elektronických zariadení po veľké priemyselné zariadenia, od nízkonapäťových aplikácií až po 48V BLDC motorové systémy, bezkomutátorové jednosmerné motory so svojou vysokou účinnosťou, vysokou spoľahlivosťou a vynikajúcim riadiacim výkonom poháňajú technologický pokrok a zlepšovanie energetickej účinnosti v rôznych priemyselných odvetviach. S neustálym vývojom technológie elektronického riadenia a materiálov s permanentnými magnetmi môžeme predvídať, že motory BLDC budú mať širšiu perspektívu použitia a vynikajúci výkon.

Ak máte záujem o naše produkty alebo máte nejaké otázky, neváhajtekontaktujte nása my vám odpovieme do 24 hodín.