Jak działa silnik BLDC: szczegółowe wyjaśnienie zasad bezszczotkowych silników DC

W ciągu ostatnich dwóch do trzech dekad, ze względu na ciągły postęp technologii elektronicznej i stałych materiałów magnetycznySilniki Bldcprzekształciły się z niszowych silników w główne rozwiązania energetyczne dla różnych branż.Silniki Bldcbyły szeroko stosowane w aplikacjach, w tym urządzenia gospodarstwa domowego, elektronarzędzia, pojazdy elektryczne i sprzęt do automatyzacji przemysłowej ze względu na ich wysoką wydajność, wysoką niezawodność i długą żywotność. Jednak zasady działania silników BLDC nadal nie są znane wielu osobom. W tym artykule wyjaśniono wszystko, co potrzebujesz, aby zrozumieć zasadę pracy silników BLDC, abyś mógł uzyskać bardziej szczegółowy obraz tej niesamowitej innowacji we współczesnej inżynierii elektrycznej.

Podstawowa struktura silnika BLDC

Teraz, zanim przejdziemy do zasady pracy, powinniśmy zapoznać się z jej podstawową strukturą:

STATOR: Wewnątrz obudowy silnika, ogólnie składa się z laminowanych krzemowych arkuszy stali, a cewki są wokół niego ranne, aby stworzyć kilka biegunów elektromagnetu.

ROTOR: Rotor jest zwykle zamontowany na wale i zawiera magnesy stałe. Silniki BLDC można podzielić na kilka odmian na podstawie różnych konfiguracji magnesów stałych.

Czujniki hali: do określania położenia wirnika i sprzężenia zwrotnego do elektronicznego systemu sterowania.

Kontroler: elektroniczny system sterowania, który określa czas prądu przepływającego przez uzwojenia stojana w oparciu o sprzężenie zwrotne z czujników Hall lub innych mechanizmów sprzężenia zwrotnego.

Warto zauważyć, że struktura silnika Outrunnera BLDC jest unikalna z wewnętrznej struktury wirnika. Rotor jest na zewnątrz, a stojan jest w środku. Ten rodzaj projektowania jest szczególnie powszechny w zastosowaniach, które wymagają wysokiego momentu obrotowego, podobnie jak na napędu śmigieł dronów.

Zasady elektromagnetyzmu: fundament działania silnika BLDC

Dwie podstawowe zasady elektromagnetyzmu określają działanie silnika BLDC:

Prawo Ampere: Gdy przewodnik przenoszący bieżący jest w polu magnetycznym, przewodnik zostanie poddany sile. Stownik silnika BLDC jest skonstruowany z zwiniętej miedzianej uzwojenia, a po tym, jak te uzwojenia są energetyzowane, tworzą pole magnetyczne, które oddziałuje między stałymi magnesami wirnika w celu wygenerowania siły, która zapewnia ruch mechaniczny dla obrócenia wirnika.

Prawo Faradaya indukcji elektromagnetycznej: Siła elektromotoryczna zostanie indukowana w przewodzie, gdy przecina linie pola magnetycznego lub jest w zmieniającym się polu magnetycznym. Jest szeroko stosowany w bez czujnikowej kontroli, gdzie pozycja wirnika jest wykrywana przez wykrywanie tylnych sił elektromotorycznych.

Zasady te są stosowane w projektowaniu przemysłowych silników bezszczotkowych. Osiągają to poprzez precyzyjne regulację prądu przepływającego przez uzwojenia stojana, zapewniając korzystne interakcje elektromagnetyczne z magnesami stałymi wirnika w celu uzyskania wysokiej wydajności i stabilności.

Proces komutacji silnika BLDC

Najważniejszym mechanizmem pracy w silniku BLDC nazywa się komutacją elektroniczną. Jest to najważniejszy i kluczowy współczynnik rozróżnienia między silnikami bezszczotkowymi a tradycyjnymi silnikami szczotkowanymi.

Zasada komutacji: Komutacja to proces zmiany kierunku przepływu prądu w odniesieniu do cewek silnika, aby istniały ciągłe oddziaływanie elektromagnetyczne między wirnikiem a stojanem, który tworzy ciągły moment obrotowy.

Sześciostopniowe komunikowanie: Tradycyjna metoda sterowania silnikami BLDC dzieli cykl elektryczny na sześć kroków. Na każdym etapie napędzane są dwa z trójfazowych skrzydeł, a jedna faza jest wyłączona.

Informacja zwrotna od czujnika Hall: Czujniki Hall wykrywają położenie magnesów stałych wirnika, aby kontroler mógł określić, które uzwojenie powinno być energetyzowane i kierunek prądu.

Kontrola bez czujników: bardziej zaawansowaną metodą jest określenie położenia wirnika poprzez monitorowanie tylnej siły elektromotorycznej w nieenergetycznej fazie, nie są potrzebne do wdrożenia tej złożonej strategii, co powoduje większą niezawodność napędu.

Duże silniki BLDC zwykle przyjmują bardziej złożone strategie kontroli, takie jak napęd fali sinusoidalnej lub kontrola wektora, aby osiągnąć gładszą wydajność momentu obrotowego i wyższą wydajność.

Rola kontrolera w systemie silnika BLDC

Silnik BLDC nie może samodzielnie działać i należy go połączyć ze specjalistycznym kontrolerem elektronicznym:

Sterownik silnika: zwykle trójfazowy falownik mostowy oparty na mocy MOSFET lub IGBT, który przełącza bieżącą ścieżkę zgodnie z sygnałem sterującym

Microcontroller: Odbiera sygnały z czujnika położenia, wykonuje algorytmy sterowania i generuje sygnały PWM w celu napędzania urządzeń zasilania.

Kontrola zamkniętej pętli: zapewnia dokładną kontrolę prędkości lub kontrolę pozycji w oparciu o potrzeby aplikacji.

Funkcja bezpiecznej ochrony: Ochrona nadmiernie prądu, ochrona nadmiernej temperatury, ochrona przed napięciem itp.

Zastosowania dla systemów silnikowych 48V BLDC są szeroko rozpowszechnione w rowerach elektrycznych, małych pojazdach elektrycznych i niektórych innych zastosowaniach przemysłowych. Jego kontroler i obwody obsługi muszą radzić sobie z wyższymi napięciami i prądami i zwykle mają bardziej złożony zestaw funkcji wydajności i ochrony.

Charakterystyka wydajności i scenariusze aplikacji silników BLDC

Teraz spójrzmy na ich zalety wydajności po nauce zasady działania silnika BLDC:

Wysoka wydajność: Z powodu braku strat tarcia ze strony pędzli i komutatorów ich wydajność jest zwykle powyżej 85%, nawet w niektórych przypadkach powyżej 95%.

Dobra charakterystyka prędkości koncepcji: zapewnia szeroki zakres wyjścia momentu obrotowego.

Większa żywotność: Bez mechanicznych elementów zużycia żywotność jest ostatecznie ograniczona tylko przez łożyska.

Poprawiona wydajność rozpraszania ciepła: bezpośredni kontakt między uzwojeniami stojan i obudowy silnika w celu bardziej skutecznego rozpraszania ciepła.

Niski hałas i zakłócenia elektromagnetyczne: nie ma iskier i hałasu generowanego przez komunikację pędzla.

Ze względu na specjalną strukturę silnik Outrunnera BLDC jest bardziej zdolny do zapewnienia wyższego momentu obrotowego przy niskich prędkościach, dzięki czemu są szczególnie odpowiednie dla systemów napędowych bezpośrednich, takich jak śmigła i wentylatory dronów itp. Z zaletami stabilności i trwałości, silnik bez pędzla sprawia, że ​​jest to wybór zasilania w urządzeniach automatycznych i precyzji.

Algorytmy sterowania silnikami BLDC

Bardziej opracowana nowoczesna technologia kontroli BLDC przekroczyła tę prostą sześcioetapową metodę komutacji:

Kontrola fali trapezoidalnej: najbardziej podstawową metodą sterowania jest przebieg prądu trapezoidalnego. Jest proste w praktyce, ale wytwarza fale o znacznej amplitudzie.

Sinusoidalna kontrola: Prowadzenie silnika prądem sinusoidalnym, które może zmniejszyć tętnienie momentu obrotowego silnika i uczynić bieżącą płynną.

Kontrola zorientowana na teren (FOC): Stosując transformację matematyczną, prąd 3-fazowy jest tłumaczony na obracający się układ współrzędnych w celu kontroli, co prowadzi do optymalnej kontroli momentu obrotowego i wydajności energetycznej.

Technologia fuzji czujników: integruje wiele sygnałów sprzężenia zwrotnego (np. Czujniki hali, enkodery i bieżące pobieranie próbek) w celu lepszej dokładności kontroli i solidności.

Ze względu na wyzwania w zastosowaniach o dużej mocy, takie jak zarządzanie termicznie, optymalizacja wydajności i reakcja dynamiczna, bardziej wyrafinowane algorytmy kontrolne są zwykle stosowane do dużych silników BLDC.

Wniosek: Zasady pracy i zalety BLDC Motors

Silniki BldcDokładnie kontroluj prąd w uzwojeniach stojana przez elektroniczny system sterowania i oddział z magnesami stałymi wirnika, aby osiągnąć wydajną konwersję energii elektrycznej w energię mechaniczną. Od małych urządzeń elektronicznych konsumenckich po duży sprzęt przemysłowy, od zastosowań o niskim napięciu po systemy silnikowe BLDC 48 V, bezszczotkowe silniki prądu stałego, z ich wysoką wydajnością, wysoką niezawodnością i doskonałą wydajnością kontroli, napędzają postęp technologiczny i poprawę efektywności energetycznej w różnych branżach. Dzięki ciągłemu rozwojowi technologii kontroli elektronicznej i stałych materiałów magnesowych możemy przewidzieć, że silniki BLDC będą miały szerszą perspektywę aplikacji i wybitną wydajność.

Jeśli jesteś zainteresowany naszymi produktami lub masz jakieś pytania, prosimy o swobodęSkontaktuj się z namiI odpowiemy w ciągu 24 godzin.