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

Negli ultimi due o tre decenni, a causa del continuo progresso della tecnologia elettronica e dei materiali a magneti permanenti,Motori BLDCsi sono trasformati da motori di nicchia a soluzioni di energia tradizionali per vari settori.Motori BLDCsono stati ampiamente utilizzati nelle applicazioni, tra cui elettrodomestici, utensili elettrici, veicoli elettrici e attrezzature di automazione industriale a causa della loro elevata efficienza, alta affidabilità e lunga durata. Tuttavia, i principi operativi dei motori BLDC non sono ancora noti a molti individui. Questo articolo spiegherà tutto ciò che devi realizzare sul principio di lavoro 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 entrare nel principio di lavoro, dovremmo familiarizzare con la sua struttura di base:

Statore: fisso all'interno dell'alloggiamento del motore, è generalmente costituito da fogli di acciaio silicio laminati e le bobine sono avvolte attorno a esso per creare diversi pali elettromagneti.

Rotore: il rotore è generalmente 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 di 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 della sala o di altri meccanismi di feedback.

Vale la pena notare che la struttura del motore BLDC superata è unica dalla struttura del rotore interno. Il rotore è fuori e lo statore è all'interno. Questo tipo di design è particolarmente prevalente nelle applicazioni che richiedono una coppia elevata, come nell'unità delle eliche di droni.

I principi dell'elettromagnetismo: la fondazione del funzionamento del motore BLDC

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

Legge di Ampere: quando un conduttore che trasporta attuale si trova in un campo magnetico, il conduttore sarà sottoposto a una forza. Lo statore di un motore BLDC è costruito su avvolgimenti di rame a spirale e dopo che questi avvolgimenti sono stati energizzati, creano un campo magnetico che interagisce tra i magneti permanenti del rotore per generare una forza che fornisce il movimento meccanico da girare.

La legge di Faraday di induzione elettromagnetica: una forza elettromotiva sarà indotta in un conduttore quando taglia le linee di campo magnetico o si trova in un campo magnetico in evoluzione. È ampiamente utilizzato nel controllo senza sensori, in cui viene rilevata la posizione del rotore rilevando le forze elettromotive posteriori.

Questi principi sono applicati nella progettazione di motori industriali senza spazzole. Si ottengono regolando finemente la corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti dello statore, garantendo interazioni elettromagnetiche favorevoli con i magneti permanenti del rotore per raggiungere un'elevata efficienza e stabilità.

Il processo di commutazione di un motore BLDC

Il meccanismo di lavoro più importante nel motore BLDC si chiama commutazione elettronica. È il fattore di distinzione più importante e chiave tra motori senza spazzole e motori tradizionali spazzolati.

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

Commutazione a sei fasi: il metodo di controllo tradizionale dei motori BLDC divide il ciclo elettrico in sei passaggi. In ogni fase, sono alimentati due dei Windings-Fase-Windings, 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 dovrebbe essere eccitato e la direzione corrente.

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

I grandi motori BLDC di solito adottano strategie di controllo più complesse, come l'unità di onda sinusoidale o il controllo vettoriale, per ottenere un'uscita di coppia più fluida e una maggiore efficienza.

Il ruolo del controller in un sistema motorio BLDC

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

Il driver del motore: di solito un inverter per bridge trifase basato su MOSFET di potenza o IGBT che cambia il percorso di corrente secondo il segnale di controllo

Microcontroller: riceve segnali dal sensore di posizione, esegue algoritmi di controllo e genera segnali PWM per guidare i dispositivi di alimentazione.

Controllo a circuito chiuso: fornisce un controllo preciso della velocità o un controllo di posizione in base alle esigenze dell'applicazione.

Funzione di protezione sicura: protezione eccessiva, protezione eccessiva di temperatura, protezione sotto tensione, ecc.

Le applicazioni per i sistemi a motore BLDC a 48 V sono diffusi in biciclette elettriche, piccoli veicoli elettrici e alcune altre applicazioni industriali. Il suo controller e i circuiti di gestione devono affrontare tensioni e correnti più elevate e di solito hanno un insieme più complesso di funzioni di performance e protezione.

Le caratteristiche delle prestazioni e gli scenari di applicazione dei motori BLDC

Ora diamo un'occhiata ai loro vantaggi delle prestazioni dopo aver appreso i principi di funzionamento motorio BLDC:

Alta efficienza: a causa dell'assenza di perdite di attrito da pennelli e commutatori, la loro efficienza è in genere superiore all'85%, anche al di sopra del 95% in alcuni casi.

Buone caratteristiche della torreggio di velocità: fornisce una vasta gamma di output di coppia.

Maggiore durata della vita: senza elementi di usura meccanica, la durata della vita è alla fine limitata dai cuscinetti.

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

Rumore basso e interferenza elettromagnetica: non ci sono scintille e rumore generato dalla commutazione della spazzola.

A causa della sua struttura speciale, il motore BLDC superatore è più in grado di fornire una coppia più elevata a basse velocità, rendendoli particolarmente adatti per i sistemi di trasmissione diretta, come eliche di droni e ventole, ecc. Con i vantaggi della stabilità e della durata, il motore senza spazzole lo rende la scelta dell'alimentazione in attrezzatura di automazione e 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 a sei fasi:

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

Controllo sinusoidale: guidare il motore per corrente sinusoidale, che può ridurre la ondulazione della coppia del motore e rendere più fluido il funzionamento.

Controllo orientato al campo (FOC): applicando una trasformazione matematica, la corrente 3-fase viene tradotta nel sistema di coordinate rotanti per il controllo, portando a un controllo ottimale della coppia e un'efficienza energetica.

Tecnologia di fusione del sensore: integra più segnali di feedback (ad es. Sensori di Hall, encoder e campionamento corrente) per una migliore accuratezza e robustezza del controllo.

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

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

Motori BLDCControllare con precisione la corrente negli avvolgimenti dello statore attraverso un sistema di controllo elettronico e interagisci con i magneti permanenti del rotore per ottenere una conversione efficiente dell'energia elettrica in energia meccanica. Dai piccoli dispositivi elettronici di consumo alle grandi attrezzature industriali, dalle applicazioni a bassa tensione ai sistemi motori BLDC a 48 V, ai motori DC senza spazzole, con la loro alta efficienza, alta affidabilità e 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 una prospettiva di applicazione più ampia e prestazioni più eccezionali.

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