Jak działa silnik BLDC: szczegółowe wyjaśnienie zasad działania bezszczotkowych silników prądu stałego

W ciągu ostatnich dwóch do trzech dekad, dzięki ciągłemu rozwojowi technologii elektronicznej i materiałów na magnesy trwałe,Silniki BLDCprzekształciły się z silników niszowych w rozwiązania głównego nurtu dla różnych gałęzi przemysłu.Silniki BLDCsą szeroko stosowane w urządzeniach gospodarstwa domowego, elektronarzędziach, pojazdach elektrycznych i sprzęcie automatyki przemysłowej ze względu na ich wysoką wydajność, wysoką niezawodność i długą żywotność. Jednak zasada działania silników BLDC nadal nie jest znana wielu osobom. W tym artykule wyjaśnimy wszystko, co musisz wiedzieć o zasadzie działania silników BLDC, abyś mógł uzyskać bardziej szczegółowy obraz tej niesamowitej innowacji we współczesnej inżynierii elektrycznej.

Podstawowa struktura silnika BLDC

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

Stojan: Mocowany wewnątrz obudowy silnika, zazwyczaj składa się z laminowanych arkuszy stali krzemowej i jest wokół niego nawiniętych cewek, tworząc kilka biegunów elektromagnesu.

Wirnik: Wirnik jest zwykle montowany na wale i zawiera magnesy trwałe. Silniki BLDC można podzielić na kilka odmian w oparciu o różne konfiguracje magnesów trwałych.

Czujniki Halla: Do określania położenia wirnika i przekazywania informacji zwrotnej do elektronicznego układu sterowania.

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

Warto zauważyć, że konstrukcja silnika BLDC typu outrunner różni się od konstrukcji wewnętrznego wirnika. Wirnik znajduje się na zewnątrz, a stojan w środku. Ten typ konstrukcji jest szczególnie powszechny w zastosowaniach wymagających wysokiego momentu obrotowego, np. w napędzie śmigieł dronów.

Zasady elektromagnetyzmu: podstawa działania silnika BLDC

Dwie podstawowe zasady elektromagnetyzmu określają działanie silnika BLDC:

Prawo Ampera: Kiedy przewodnik z prądem znajduje się w polu magnetycznym, na przewodnik działa siła. Stojan silnika BLDC jest zbudowany ze zwiniętych uzwojeń miedzianych, które po zasileniu tych uzwojeń wytwarzają pole magnetyczne, które oddziałuje między magnesami trwałymi wirnika, generując siłę zapewniającą ruch mechaniczny wirnika.

Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya: Siła elektromotoryczna zostanie indukowana w przewodniku, gdy przecina on linie pola magnetycznego lub znajduje się w zmiennym polu magnetycznym. Jest szeroko stosowany w sterowaniu bezczujnikowym, w którym położenie wirnika jest wykrywane poprzez wykrywanie tylnych sił elektromotorycznych.

Zasady te stosuje się przy projektowaniu przemysłowych silników bezszczotkowych. Osiągają to poprzez precyzyjną regulację prądu przepływającego przez uzwojenia stojana, zapewniając korzystne interakcje elektromagnetyczne z magnesami trwałymi wirnika, aby osiągnąć wysoką wydajność i stabilność.

Proces komutacji silnika BLDC

Najważniejszym mechanizmem roboczym silnika BLDC jest komutacja elektroniczna. Jest to najważniejszy i kluczowy czynnik odróżniający silniki bezszczotkowe od tradycyjnych silników szczotkowych.

Zasada komutacji: Komutacja to proces zmiany kierunku przepływu prądu w odniesieniu do cewek silnika, tak że może istnieć ciągła interakcja elektromagnetyczna pomiędzy wirnikiem i stojanem, co wytwarza ciągły moment obrotowy.

Komutacja sześciostopniowa: Tradycyjna metoda sterowania silnikami BLDC dzieli cykl elektryczny na sześć etapów. Na każdym etapie dwa z uzwojeń trójfazowych są zasilane, a jedna faza jest wyłączona.

Sygnał zwrotny czujnika Halla: Czujniki Halla wykrywają położenie magnesów trwałych wirnika, dzięki czemu sterownik może określić, które uzwojenie powinno być zasilane i kierunek prądu.

Sterowanie bezczujnikowe: Bardziej zaawansowaną metodą jest określenie położenia wirnika poprzez monitorowanie tylnej siły elektromotorycznej w fazie niezasilonej. Do wdrożenia tej złożonej strategii nie są potrzebne żadne czujniki Halla, co skutkuje większą niezawodnością napędu.

Duże silniki BLDC zwykle przyjmują bardziej złożone strategie sterowania, takie jak napęd sinusoidalny lub sterowanie wektorowe, aby uzyskać płynniejszy wyjściowy moment obrotowy i wyższą wydajność.

Rola sterownika w układzie silnika BLDC

Silnik BLDC nie może pracować samodzielnie i należy go połączyć ze specjalistycznym sterownikiem elektronicznym:

Sterownik silnika: Zwykle trójfazowy falownik mostkowy oparty na MOSFET-ie mocy lub IGBT, który przełącza ścieżkę prądową zgodnie z sygnałem sterującym

Mikrokontroler: odbiera sygnały z czujnika położenia, wykonuje algorytmy sterujące i generuje sygnały PWM do sterowania urządzeniami zasilającymi.

Sterowanie w pętli zamkniętej: zapewnia dokładną kontrolę prędkości lub pozycję w zależności od potrzeb aplikacji.

Funkcja bezpiecznej ochrony: ochrona nadprądowa, ochrona przed przegrzaniem, ochrona podnapięciowa itp.

Zastosowania układów silników BLDC 48 V są szeroko rozpowszechnione w rowerach elektrycznych, małych pojazdach elektrycznych i niektórych innych zastosowaniach przemysłowych. Jego sterownik i obwody sterujące muszą radzić sobie z wyższymi napięciami i prądami i zwykle mają bardziej złożony zestaw funkcji wydajnościowych i ochronnych.

Charakterystyka wydajności i scenariusze zastosowań silników BLDC

Przyjrzyjmy się teraz ich zaletom w zakresie wydajności po zapoznaniu się z zasadami działania silnika BLDC:

Wysoka sprawność: Ze względu na brak strat tarcia w szczotkach i komutatorach, ich sprawność zazwyczaj przekracza 85%, a w niektórych przypadkach nawet powyżej 95%.

Dobra charakterystyka prędkości i momentu obrotowego: zapewnia szeroki zakres wyjściowego momentu obrotowego.

Większa żywotność: Bez mechanicznych elementów zużywających się żywotność jest ostatecznie ograniczona jedynie przez łożyska.

Poprawiona wydajność rozpraszania ciepła: Bezpośredni kontakt pomiędzy uzwojeniami stojana a obudową silnika w celu bardziej efektywnego odprowadzania ciepła.

Niski poziom hałasu i zakłóceń elektromagnetycznych: Brak iskier i hałasu generowanego przez komutację szczotek.

Ze względu na swoją specjalną konstrukcję silnik Outrunner BLDC jest w stanie zapewnić wyższy moment obrotowy przy niskich prędkościach, co czyni go szczególnie odpowiednim do układów napędu bezpośredniego, takich jak śmigła i wentylatory dronów itp. Dzięki zaletom stabilności i trwałości silnik bezszczotkowy sprawia, że ​​jest to najlepszy wybór do zasilania urządzeń automatyki i precyzyjnych instrumentów.

Algorytmy sterowania silnikami BLDC

Bardziej rozwinięta, nowoczesna technologia sterowania BLDC przewyższa tę prostą, sześciostopniową metodę komutacji:

Sterowanie falą trapezową: Najbardziej podstawową metodą sterowania jest trapezoidalny kształt fali prądu. Można to łatwo zastosować w praktyce, ale powstają fale momentu obrotowego o znacznej amplitudzie.

Sterowanie sinusoidalne: napędzanie silnika prądem sinusoidalnym, co może zmniejszyć tętnienie momentu obrotowego silnika i zapewnić płynniejszą pracę.

Sterowanie zorientowane na pole (FOC): Dzięki zastosowaniu transformacji matematycznej prąd trójfazowy jest przekładany na wirujący układ współrzędnych w celu sterowania, co prowadzi do optymalnej kontroli momentu obrotowego i efektywności energetycznej.

Technologia łączenia czujników: integruje wiele sygnałów sprzężenia zwrotnego (np. czujników Halla, enkoderów i próbkowania prądu) w celu uzyskania lepszej dokładności i niezawodności sterowania.

Ze względu na wyzwania związane z zastosowaniami dużej mocy, takie jak zarządzanie ciepłem, optymalizacja wydajności i dynamiczna reakcja, w silnikach Big BLDC zwykle stosuje się bardziej wyrafinowane algorytmy sterowania.

Wniosek: zasada działania i zalety silników BLDC

Silniki BLDCprecyzyjnie kontrolują prąd w uzwojeniach stojana za pomocą elektronicznego układu sterowania i współdziałają z magnesami trwałymi wirnika, aby uzyskać wydajną konwersję energii elektrycznej na energię mechaniczną. Od małych urządzeń elektroniki użytkowej po duży sprzęt przemysłowy, od zastosowań niskonapięciowych po systemy silników BLDC 48 V, bezszczotkowe silniki prądu stałego, dzięki swojej wysokiej wydajności, wysokiej niezawodności i doskonałej wydajności sterowania, napędzają postęp technologiczny i poprawę efektywności energetycznej w różnych gałęziach przemysłu. Dzięki ciągłemu rozwojowi technologii sterowania elektronicznego i materiałów z magnesami trwałymi możemy przewidzieć, że silniki BLDC będą miały szersze perspektywy zastosowania i wyjątkową wydajność.

Jeśli są Państwo zainteresowani naszymi produktami lub mają Państwo jakiekolwiek pytania, prosimy o kontaktskontaktuj się z namia my odpowiemy w ciągu 24 godzin.