theme wordpress
موتور الکتریکی

موتورهای DC بدون جاروبک (‌BLDC) _ ساختار ، نحوه کار و کاربرد

موتور BLDC

موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC) نقطه مورد تمرکز برای تعداد زیادی از تولید کنندگان بوده است و به علت کاربرد های وسیع آن انتخاب ترجیحی خیلی از  مصرف کنندگان به ویژه در زمینه تکنولوژی موتور می باشد. BLDC نسبت به موتورهای DC همراه با جاروبک در زمینه هایی همچون داشتن قابلیت عملکرد در سرعت بالا ، کارایی بالا و دفع حرارتی بهتر ، موفق تر بوده است.

این نوع موتورها بخشی ضروری از تکنولوژی های درایو های  مدرن ، ابزار ماشین ، نیروی الکتریکی ، رباتیک ، لوازم جانبی کامپیوتر و همچنین برای تولید انرژی الکتریکی می باشد. با بهبود تکنولوژی های کنترل  بدون سنسور در کنار کنترل دیجیتال ، این موتورها در مفهوم هزینه کلی سیستم ، اندازه و قابلیت اطمینان سیستم بسیار موثر می باشند.

BLDC

موتور DC بدون جاروبک (BLDC) چیست ؟

این نوع موتور یک موتور DC سنکرون با مغناطیس دائم (Permanent Magnet) است که با جریان DC راه اندازی می شود و این سیستم سوئیچینگ الکترونیکی را کنترل می کند( معنی این جمله ایجاد گشتاور چرخشی در داخل موتور با استفاده از تغییر جهت جریان در زمان مناسب می باشد) و این موضوع جایگزین سیستم مکانیکی سنتی شده است. BLDC به موتور مغناطیس دائم هم اشاره دارد.

برخلاف موتور های DC با جاروبک های متعارف که در آن ها جاروبک وظیفه ایجاد تماس مکانیکی با کموتاتور را برای ایجاد مسیر الکتریکی مابین سیم پیچی ارمیچر موتور و شبکه برق بر عهده دارد ، در این موتورها با استفاده از مجموعه ای از سیم پیچی ها این ارتباط در کنار آهن ربای دائم مابین رتور و استاتور شکل می گیرد. در این موتور ، آهن ربای دائم شروع به گردش می کند و هادی های حامل جریان ثابت می باشند.

موتور BLDC چیست؟
موتور BLDC چیست؟

سیم پیچی های آرمیچر به وسیله ترانزیستورها یا یکسو کننده کنترل سیلیکونی در موقعیت صحیح روتور به صورت الکترونیکی تغییر می کنند تا که میدان ایجاد شده توسط آرمیچر در محدوده فضایی با قطب های میدان روتور قرار می گیرد(مانند موتور سنکرون میدان آرمیچر با میدان قطب ها دارای سرعت یکسان هستند و به مقدار زوایه ای کوچکی که گشتاور بار این زاویه را تعیین می کند اختلاف فاز دارند). از این رو نیروی اعمال شده بر روی روتور باعث چرخیدن آن می شود. سنسورهای اثر هال اغلب برای تشخیص محل روتور و موقعیت های اطراف استاتور به کار گرفته می شود. بازخورد موقعیت مکانی این سنسور کمک می کند تا زمان تعویض جریان آرمیچر مشخص شود.

این ترتیب الکترونیکی تعویض نیاز به کموتاتور و جاروبک را در سیستم حذف می کند و از این رو یک سیستم با قابلیت اطمینان بالاتر و سر و صدای کمتر حاصل می شود. به علت نبود جاروبک در این موتور ها ، این موتور ها قادر به کار در سرعت های بالا می شوند.کارایی این موتور مابین 85 تا 90 درصد مشخص شده است در حالی کارایی برای موتورهای DC همراه با جاروبک مابین 75 تا 80 درصد است. رنج بزرگی از موتورهای BLDC از توان های پایین تا کسری از اسب بخار وجود دارد.

موتور بدون جاروبک DC چیست

ساختار موتور های BLDC:

این موتورها می تواند در ساختارهای فیزیکی متنوع ساخته شود. بر اساس سیم پیچی استاتور می توانیم موتور های تک فاز ، دو فاز و سه فاز را ایجاد کنیم. با این حال ، موتورهای BLDC سه فاز با رتور آهنربای دائم بیشترین استفاده را دارا می باشد.

ساختار موتور BLDC

ساختار این موتور شبیه به موتورهای القایی سه فاز و موتورهای DC متعارف است. این موتور مانند سایر موتورها دارای استاتور و روتور می باشد.

ساختار موتور BLDC 1

استاتور موتور های BLDC از ورقه های سیلیکونی که کنار هم قرار گرفته است تشکیل شده(به دلیل وجود فرکانس بالا استاتور را ورقه ورقه می سازند تا تلفات فوکو کاهش یابد) برای حمل سیم پیچی ایجاد شده است. این سیم پیچ ها در شکاف هایی قرار می گیرند که در امتداد قسمت داخلی درون استاتور قرار دارند.

این سیم پیچی ها می تواند به صورت ستاره و یا مثلث باشد. با این حال ، بیشتر موتورهای به صورت سه فاز و با اتصال ستاره است.

هر سیم بندی با تعدادی سیم پیج داخلی تشکیل شده است ، جایی که یک یا بیشتر این سیم پیچی ها در یک شیار قرار می گیرد و در طول استاتور پخش شده است.

استاتور موتور BLDC
استاتور موتور BLDC

استاتور باید بر مبنای ولتاژ اعمالی بر اساس قدرت الکتریکی انتخاب شود. برای بحث رباتیک ، اتوماسیون و کاربردهای کوچک 48 ولت و یا پایین تر انتخاب می شود. برای کاربردهای صنعتی و سیستم های اتوماسیون موتورهای 100 ولت به بالا انتخاب خواهند شد.

روتور :

موتور BLDC مغناطیس دائم در روتور دارای مغناطیس دائم  می باشد. تعداد قطب ها می تواند از 2 تا 8 جفت با ترکیب شمال و جنوب دلخواه بر اساس کاربرد ایجاد شود. برای دریافت حداکثر گشتاور در موتور ، باید قدرت میدان در حداکثر میزان خود قرار داشته باشد. یک آهنربای  مغناطیسی مناسب برای روتور نیاز است تا بتواند این حجم از میدان مغناطیسی را ایجاد کند.

آهنربای دائم یک موتور BLDC
آهنربای دائم یک موتور BLDC

موارد فریت قیمت بالایی ندارند با این حال ، آن ها نمی توانند میزان شار خواسته شده را ایجاد کنند. آهن ربا آلیاژهای نادر آهن معمولا برای طرح های جدید استفاده می شود. برخی از این آلیاژها عبارتند از ساماریوم کبالت (SmCo) ،نئودیمیم (Nd) و فریت و بور(Boron ) که این روزها مورد استفاده قرار می گیرند. روتور می تواند با پیکربندی های مختلف به مانند هسته دایره ای با مغناطیس دائم و یا … ایجاد شود.

مقالات مرتبط:

ترانسفورماتور؛ ساختار؛ عملکرد؛ انواع کاربردها و محدودیت ها

سنسور اثر هال :

سنسور اثر هال اطلاعات برای هماهنگ سازی تحریک سیم بندی استاتور با موقعیت روتور را فراهم می کند. از آنجایی که تعویض جهت جریان در این موتورها به صورت الکترونیکی انجام می شود ، سیم بندی ها باید با ترکیب خاصی حامل انرژی شوند تا موتور به چرخش در بیاید. قبل از این که انرژی به بخش خاصی از استاتور اعمال شود ، نیاز به داشتن اطلاعات نسبت به موقعیت روتور می باشد. برای این موضوع سنسور اثر هال در استاتور برای مشخص کردن محل روتور قرار گرفته است.

بیشتر موتورهای BLDC از سه سنسور اثر هال بهره می برند که بر روی استاتور تجهیز شده است.هر کدام از سنسورها زمانی که روتور از مقابل سنسور می گذرد سیگنال های کوتاه و بلند را ایجاد می کنند . ترتیب کلید زنی بر اساس پاسخ این سنسورها شکل می گیرد.

اصول کار و عملکرد موتور های BLDC

این موتور به مانند موتور های متعارف DC کار می کند. این موتور بر مبنای قاون نیروی لنز کار می کند که هر هادی حامل جریان تحت میدان مغناطیسی نیرویی را تجربه خواهد کرد. در نتیجه این نیرو ، آهن ربا یک نیروی مخالف را تجربه خواهد کرد. در این موتورها هادی حامل جریان ثابت بوده و میدان مغناطیسی دائم حرکت خواهد کرد.

ساختار و نحوه عملکرد کلید زنی در موتور BLDC
ساختار و نحوه عملکرد کلید زنی در موتور BLDC

زمانی که سیم پیچ های استاتور به صورت الکترونیکی کلید زنی می شوند ، یک حالت الکترومغناطیس ایجاد می شود که تولید یک میدان نامتوازن در فاصله هوایی خواهد کرد. اگرچه منبع تامین DC است، سوئیچینگ موجب تولید شکل موج ولتاژ AC با شکل ذوزنقه ای  می شود. با توجه به نیروی متقابل بین استاتور الکترومغناطیسی و روتور دائمی مغناطیسی، روتور به چرخش ادامه می دهد.

شکل زیر را در نظر بگیرید که در آن استاتور موتور بر اساس کلید زنی های مختلف شکل گرفته است. این تعویض جهت جریان ایجاد قطب های شمال و جنوب در موتور می کند. این روتور مغناطیس دائم با قطب های شمال و جنوب دلیل چرخش روتور می شود.

مشاهده می شود که به علت این نیروهای جاذبه و دافعه گشتاور در موتور ایجاد می شود.

ترتیب کلید زنی در موتور BLDC
ترتیب کلید زنی در موتور BLDC

از این رو ، شاید این سوال پیش بیاید که چگونه متوجه شویم کدام سیم پیچ استاتور در چه زمانی باید برق دار شود. این سوال ناشی از این است که ادامه چرخش روتور ناشی از این تغییر مسیر جریان ها در سیم پیچ ها می باشد. همانطور که در بالا مطرح شد سنسورهای اثر هال بازخوردی را از موقعیت مکانی شفت به واحد کنترل الکترونیکی می دهند.

بر اساس سیگنال های ناشی از سنسور ، این بخش کنترلی است که تصمیم می گیرد کدام سیم پیچ باید برق دار باشد.

راه انداز موتور DC بدون جاروبک :

همان طور که در بالا ذکر شد واحد کنترل الکترونیکی با استفاده از روشن کردن ترانزیستور و یا کلید های حالت جامد دیگر سیم پیچ های خاص را برق دار کرده و عامل ادامه چرخش در موتور می شود. شکل زیر مدار راه انداز ساده برای موتور بدون جاروبک را نشان می دهد که شامل پل ماسفت ، کنترل کننده الکترونیکی و سنسور اثر هال است.

در اینجا سنسور اثر هال برای ایجاد بازخورد از سرعت و موقعیت ایجاد شده است. کنترل کننده الکترونیکی می تواند یک میکروکنترلر ، میکروپروسسور و یا واحد FPGA و یا هر کنترل کننده دیگری باشد. این کنترل کننده این سیگنال ها را دریافت و آن ها را پردازش می کند و دستورات کنترلی را به مدار راه انداز ماسفت ارسال می کند.

درایو موتور BLDC
درایو موتور BLDC

علاوه بر کلید زنی برای سرعت نامی موتور ، مدارات الکترونکی جانبی بر اساس کارکردها سرعت موتور را تغییر می دهد. این واحدهای کنترلی معمولا به صورت کنترل کننده PID می باشد.

مزایای موتور BLDC:

این نوع از موتور ها در برابر موتور های متعارف DC دارای چند برتری است که عبارت اند از :

  • عدم داشتن کموتاتور مکانیکی و نبود مشکلات مرتبط با آن
  • راندمان بالا به دلیل استفاده از رتور اهنربای دائم
  • سرعت عملیات بالا در حالت با بار و یا بی بار که به دلیل نبود جاروبک ها می باشد.
  • حجم کوچکتر و وزن کمتر نسبت به موتور القایی و موتور های DC با جاروبک
  • عمر طولانی و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری برای سیستم کموتاتور
  • تداخل الکترومغناطیسی کمتر
  • نویز کمتر به علت نبود جاروبک

معایب موتور بدون جاروبک

  • هزینه بالا
  • سیستم کنترلی این موتور پر هزینه است
  • در دسترس نبودن بسیاری از راه حل های کنترل الکترونیکی یکپارچه، مخصوصا برای موتورهای کوچک BLDC
  • سیستم راه انداز پیجیده
  • نیاز به سنسورهای جانبی

کاربرد موتورهای بدون جاروبک

این موتور ها در زمینه بزرگی از کارها به مانند کنترل صنعتی ، اتوماسیون ، سیستم های اتوماتیک ، نیازمندهای خدمات سلامت و … کاریرد دارند که از جمله آنها می توان به موارد پایین اشاره کرد.

  • درایو های سخت افزاری رایانه و پخش کننده CDو DVD
  • وسایل نقلیه هیبرید و الکترونیکی و دوچرخه های الکتریکی
  • ربات های صنعتی ، ابزار CNC
  • ماشین های شستشو ، کمپرسورها و خشک کن ها
  • فن ، پمپ و دمنده
لینک برای مطالعه بیشتر
موتور بدون جاروبک DC

محسن ترابی

مهندس برق قدرت، فوق لیسانس برق قدرت از دانشگاه سراسری یزد، موسس ماه صنعت، متخصص در ژنراتور، دیزل، طراحی و ساخت موتورهای الکتریکی، سنکرون و سیستم های حفاظت الکتریکی به خصوص حفاظت ژنراتور. دارای گواهی ثبت اختراع ساخت موتور PMSM‌ معکوس گرد. هدف از ایجاد این وبسایت و مقالات آن آموزش در راستای توسعه ی صنعت برق کشور عزیزمان ایران می باشد و سعی می کنم مقالات کاربردی در راستای این هدف در وبسایت انتشار بدهم

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن
بستن