Come funziona un motore BLDC: una spiegazione dettagliata dei principi dei motori DC senza spazzole

Negli ultimi due o tre decenni, grazie al continuo progresso della tecnologia elettronica e dei materiali a magneti permanenti,Motori BLDCsi sono trasformati da motori di nicchia a soluzioni di alimentazione tradizionali per vari settori.Motori BLDCsono stati ampiamente utilizzati in applicazioni, tra cui elettrodomestici, utensili elettrici, veicoli elettrici e apparecchiature di automazione industriale grazie alla loro alta efficienza, alta affidabilità e lunga durata. Tuttavia, molti individui non conoscono ancora i principi di funzionamento dei motori BLDC. Questo articolo spiegherà tutto ciò di cui hai bisogno sul principio di funzionamento dei motori BLDC in modo da poter ottenere una visione più dettagliata di questa incredibile innovazione nell'ingegneria elettrica odierna.

La struttura di base di un motore BLDC

Ora, prima di addentrarci nel principio di funzionamento, dovremmo familiarizzare con la sua struttura di base:

Statore: fissato all'interno dell'alloggiamento del motore, è generalmente costituito da fogli di acciaio laminato al silicio e attorno ad esso sono avvolte delle bobine per creare diversi poli elettromagnetici.

Rotore: il rotore è solitamente montato sull'albero e contiene magneti permanenti. I motori BLDC possono essere classificati in diverse varietà in base alle varie configurazioni dei magneti permanenti.

Sensori Hall: per determinare la posizione del rotore e il feedback al sistema di controllo elettronico.

Controller: un sistema di controllo elettronico che determina i tempi della corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti dello statore in base al feedback dei sensori Hall o ad altri meccanismi di feedback.

Vale la pena notare che la struttura del motore BLDC outrunner è unica a causa della struttura del rotore interno. Il rotore è all'esterno e lo statore è all'interno. Questo tipo di design è particolarmente diffuso nelle applicazioni che richiedono una coppia elevata, come nell'azionamento delle eliche dei droni.

I principi dell'elettromagnetismo: il fondamento del funzionamento del motore BLDC

Due principi base dell'elettromagnetismo determinano il funzionamento di un motore BLDC:

Legge di Ampere: quando un conduttore percorso da corrente si trova in un campo magnetico, sarà soggetto ad una forza. Lo statore di un motore BLDC è costituito da avvolgimenti in rame a spirale e, una volta energizzati, questi avvolgimenti creano un campo magnetico che interagisce tra i magneti permanenti del rotore per generare una forza che fornisce il movimento meccanico per la rotazione del rotore.

Legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica: una forza elettromotrice verrà indotta in un conduttore quando taglia le linee del campo magnetico o si trova in un campo magnetico variabile. È ampiamente utilizzato nel controllo sensorless, dove la posizione del rotore viene rilevata rilevando le forze elettromotrici posteriori.

Questi principi vengono applicati nella progettazione di motori brushless industriali. Raggiungono questo obiettivo regolando con precisione la corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti dello statore, garantendo interazioni elettromagnetiche favorevoli con i magneti permanenti del rotore per ottenere elevata efficienza e stabilità.

Il processo di commutazione di un motore BLDC

Il meccanismo di funzionamento più importante nel motore BLDC è chiamato commutazione elettronica. È il fattore di distinzione più importante e fondamentale tra i motori brushless e i tradizionali motori con spazzole.

Principio di commutazione: la commutazione è il processo di modifica della direzione del flusso di corrente rispetto alle bobine del motore in modo che possa esistere un'interazione elettromagnetica continua tra il rotore e lo statore, che crea una coppia continua.

Commutazione in sei fasi: il metodo di controllo tradizionale dei motori BLDC divide il ciclo elettrico in sei fasi. Ad ogni passo, due degli avvolgimenti trifase sono alimentati, mentre una fase è spenta.

Feedback del sensore Hall: i sensori Hall rilevano la posizione dei magneti permanenti del rotore, in modo che il controller possa determinare quale avvolgimento deve essere energizzato e la direzione della corrente.

Controllo senza sensori: un metodo più avanzato consiste nel determinare la posizione del rotore monitorando la forza elettromotrice posteriore nella fase non energizzata; non sono necessari sensori Hall per implementare questa complessa strategia, con conseguente maggiore affidabilità dell'azionamento.

I grandi motori BLDC solitamente adottano strategie di controllo più complesse, come l'azionamento dell'onda sinusoidale o il controllo vettoriale, per ottenere una coppia erogata più fluida e una maggiore efficienza.

Il ruolo del controller in un sistema motore BLDC

Il motore BLDC non può funzionare da solo e deve essere combinato con un controller elettronico specializzato:

Il driver del motore: solitamente un inverter a ponte trifase basato su power MOSFET o IGBT che commuta il percorso della corrente in base al segnale di controllo

Microcontrollore: riceve segnali dal sensore di posizione, esegue algoritmi di controllo e genera segnali PWM per pilotare i dispositivi di potenza.

Controllo ad anello chiuso: fornisce un controllo accurato della velocità o un controllo della posizione in base alle esigenze dell'applicazione.

Funzione di protezione sicura: protezione da sovracorrente, protezione da sovratemperatura, protezione da sottotensione, ecc.

Le applicazioni per i sistemi motore BLDC da 48 V sono diffuse nelle biciclette elettriche, nei piccoli veicoli elettrici e in alcune altre applicazioni industriali. Il suo controller e i suoi circuiti di gestione devono gestire tensioni e correnti più elevate e solitamente hanno un insieme più complesso di funzioni di prestazione e protezione.

Le caratteristiche prestazionali e gli scenari applicativi dei motori BLDC

Ora diamo un'occhiata ai vantaggi prestazionali dopo aver appreso i principi di funzionamento del motore BLDC:

Elevata efficienza: Grazie all'assenza di perdite per attrito da spazzole e commutatori, la loro efficienza è generalmente superiore all'85%, in alcuni casi anche superiore al 95%.

Buone caratteristiche di coppia-velocità: fornisce un'ampia gamma di uscite di coppia.

Maggiore durata: senza elementi meccanici soggetti ad usura, la durata è limitata solo dai cuscinetti.

Migliore efficienza di dissipazione del calore: contatto diretto tra gli avvolgimenti dello statore e l'alloggiamento del motore per una dissipazione del calore più efficace.

Basso rumore e interferenze elettromagnetiche: non ci sono scintille e rumore generati dalla commutazione delle spazzole.

Grazie alla sua struttura speciale, il motore BLDC outrunner è maggiormente in grado di fornire una coppia più elevata a basse velocità, rendendolo particolarmente adatto per sistemi di azionamento diretto, come eliche e ventilatori di droni, ecc. Con i vantaggi di stabilità e durata, il motore brushless lo rende la scelta di alimentazione nelle apparecchiature di automazione e negli strumenti di precisione.

Gli algoritmi di controllo dei motori BLDC

La moderna tecnologia di controllo BLDC più sviluppata ha superato questo semplice metodo di commutazione in sei fasi:

Controllo dell'onda trapezoidale: il metodo di controllo più basilare è una forma d'onda di corrente trapezoidale. È semplice da mettere in pratica ma produce ondulazioni di coppia di notevole ampiezza.

Controllo sinusoidale: azionamento del motore mediante corrente sinusoidale, che può ridurre l'ondulazione della coppia del motore e rendere il funzionamento più fluido.

Controllo ad orientamento di campo (FOC): applicando una trasformazione matematica, la corrente trifase viene tradotta nel sistema di coordinate rotanti per il controllo, ottenendo un controllo ottimale della coppia e un'efficienza energetica.

Tecnologia di fusione dei sensori: integra più segnali di feedback (ad esempio sensori Hall, encoder e campionamento di corrente) per una migliore precisione e robustezza del controllo.

A causa delle sfide poste dalle applicazioni ad alta potenza, come la gestione termica, l'ottimizzazione dell'efficienza e la risposta dinamica, per i motori BLDC di grandi dimensioni vengono generalmente utilizzati algoritmi di controllo più sofisticati.

Conclusione: i principi di funzionamento e i vantaggi dei motori BLDC

Motori BLDCcontrolla con precisione la corrente negli avvolgimenti dello statore attraverso un sistema di controllo elettronico e interagisce con i magneti permanenti del rotore per ottenere un'efficiente conversione dell'energia elettrica in energia meccanica. Dai piccoli dispositivi elettronici di consumo alle grandi apparecchiature industriali, dalle applicazioni a bassa tensione ai sistemi di motori BLDC da 48 V, i motori DC senza spazzole, con la loro alta efficienza, alta affidabilità ed eccellenti prestazioni di controllo, stanno guidando il progresso tecnologico e il miglioramento dell'efficienza energetica in vari settori. Con il continuo sviluppo della tecnologia di controllo elettronico e dei materiali a magneti permanenti, possiamo prevedere che i motori BLDC avranno prospettive di applicazione più ampie e prestazioni più eccezionali.

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