الکتروموتور, مقالات
موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC)-ساختار و نحوه کار
مرداد
در این مقاله قصد داریم در مورد موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC)، ساختار ، نحوه کار و کاربرد آن ها صحبت کنیم.
فهرست مطالب
1- مقدمه
2- موتور DC بدون جاروبک (BLDC) چیست ؟
3- ساختار موتورهای BLDC
4- اصول کار و عملکرد موتورهای BLDC
5- راه انداز موتور DC بدون جاروبک
6- مزایا، معایب و کاربردهای موتور BLDC
1- مقدمه
موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC) نقطه مورد تمرکز برای تعداد زیادی از تولید‌کنندگان بوده‌است و به علت کاربرد های وسیع آن انتخاب ترجیحی خیلی از مصرف‌کنندگان به ویژه در زمینه تکنولوژی موتور می‌باشد.
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 بوده‌است.
این نوع موتورها بخشی ضروری از تکنولوژی‌های درایو‌های مدرن ، ابزار ماشین ، نیروی الکتریکی ، رباتیک ، لوازم جانبی کامپیوتر و همچنین برای تولید انرژی الکتریکی می‌باشد.
با بهبود تکنولوژی‌های کنترل بدون سنسور در کنار کنترل دیجیتال ، این موتورها در مفهوم هزینه کلی سیستم ، اندازه و قابلیت اطمینان سیستم بسیار موثر می‌باشند.
2- موتور DC بدون جاروبک (BLDC) چیست ؟
این نوع موتور یک موتور DC سنکرون با مغناطیس دائم (Permanent Magnet)است که با جریان DC راه‌اندازی‌می‌شود و این سیستم سوئیچینگ الکترونیکی را کنترل می‌کند،
( معنی این جمله ایجاد گشتاور چرخشی در داخل موتور با استفاده از تغییر جهت جریان در زمان مناسب می‌باشد) و این موضوع جایگزین سیستم مکانیکی سنتی شده‌است. BLDC به موتور مغناطیس دائم هم اشاره دارد.
برخلاف موتورهای DC با جاروبک های متعارف که در آنها جاروبک وظیفه ایجاد تماس مکانیکی با کموتاتور را برای ایجاد مسیر الکتریکی مابین سیم‌پیچی ارمیچر موتور و شبکه برق بر عهده دارد،
در این موتورها با استفاده از مجموعه ای از سیم‌پیچی‌ها این ارتباط در کنار آهن ربای دائم مابین رتور و استاتور شکل می‌گیرد.
در این موتور، آهن ربای دائم شروع به گردش می‌کند و هادی های حامل جریان ثابت می‌باشند.
3- ساختار موتورهای BLDC
این موتورها می‌تواند در ساختارهای فیزیکی متنوع ساخته شود. بر اساس سیم‌پیچی استاتور می‌توانیم موتورهای 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 می‌باشد.
ساختار این موتور شبیه به موتورهای القایی سه فاز و موتورهای DC متعارفاست. این موتور مانند سایر موتورها دارای استاتور و روتور می‌باشد.
استاتور
استاتور موتورهای BLDC از ورقه های سیلیکونی که کنار هم قرار گرفته‌است، (به دلیل وجود فرکانس بالا استاتور را ورقه ورقه می سازند تا تلفات فوکو کاهش یابد) تشکیل شده‌است.
این سیم‌پیچ ها در شکاف هایی قرار می گیرند که در امتداد قسمت داخلی درون استاتور قرار دارند.
این سیم‌پیچی ها می‌تواند به صورت ستاره و یا مثلث باشد. با این حال ، بیشتر موتورهای به صورت سه فاز و با اتصال ستاره‌است.
هر سیم بندی با تعدادی سیم‌پیچ داخلی تشکیل شده‌است ، جایی که یک یا بیشتر این سیم‌پیچی ها در یک شیار قرار می گیرد و در طول استاتور پخش شده‌است.
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 می‌شود.
برای کاربردهای صنعتی و سیستم‌های اتوماسیون موتورهای 100 ولت به بالا انتخاب خواهند شد.
روتور
موتور BLDC مغناطیس دائم در روتور دارای مغناطیس دائم می‌باشد.
تعداد قطب ها می‌تواند از 2 تا 8 جفت با ترکیب شمال و جنوب دلخواه بر اساس کاربرد ایجاد‌شود.
برای دریافت حداکثر گشتاور در موتور ، باید قدرت میدان در حداکثر میزان خود قرار داشته‌باشد.
یک آهنربای مغناطیسی مناسب برای روتور نیاز است تا بتواند این حجم از میدان مغناطیسی را ایجاد کند.
موارد فریت قیمت بالایی ندارند با این حال ، آن ها نمی‌توانند میزان شار خواسته‌شده را ایجاد کنند.
آهن ربا آلیاژهای نادر آهن معمولا برای طرح‌های جدید استفاده‌می‌شود. برخی از این آلیاژها عبارتند از ساماریوم کبالت (SmCo) ،نئودیمیم (Nd) و فریت و بور(Boron ) که این روزها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
روتور می‌تواند با پیکربندی‌های مختلف به مانند هسته دایره ای با مغناطیس دائم و یا … ایجاد شود.
سیم‌پیچی
سیم‌پیچی‌های آرمیچر به وسیله ترانزیستورها یا یکسو کننده کنترل سیلیکونی در موقعیت صحیح روتور به صورت الکترونیکی تغییر می‌کنند تا
که میدان ایجاد‌شده توسط آرمیچر در محدوده فضایی با قطب‌های میدان روتور قرار می‌گیرد (مانند موتور سنکرون میدان آرمیچر با میدان قطب‌ها دارای سرعت یکسان هستند و به مقدار زوایه ای کوچکی که گشتاور بار این زاویه را تعیین می‌کند اختلاف فاز دارند).
از این رو، نیروی اعمال‌شده بر روی روتور باعث چرخیدن آن می‌شود.
سنسورهای اثر هال اغلب برای تشخیص محل روتور و موقعیت‌های اطراف استاتور به کار گرفته می‌شود.
بازخورد موقعیت مکانی این سنسور کمک می‌کند تا زمان تعویض جریان آرمیچر مشخص شود.
این ترتیب الکترونیکی تعویض نیاز به کموتاتور و جاروبک را در سیستم حذف می‌کند و از این رو یک سیستم با قابلیت اطمینان بالاتر و سر و صدای کمتر حاصل می‌شود.
به علت نبود جاروبک در این موتور ها، این موتور ها قادر به کار در سرعت های بالا می‌شوند.کارایی این موتور مابین 85 تا 90 درصد مشخص شده‌است،
در حالی کارایی برای موتورهای DC همراه با جاروبک مابین 75 تا 80 درصد است. رنج بزرگی از موتورهای BLDC از توان‌های پایین تا کسری از اسب بخار وجود دارد.
سنسور اثر هال
سنسور اثر هال اطلاعات برای هماهنگ سازی تحریک سیم بندی استاتور با موقعیت روتور را فراهم می‌کند.
از آنجایی که تعویض جهت جریان در این موتورها به صورت الکترونیکی انجام می‌شود ، 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 می‌باشد.
برای این موضوع سنسور اثر هال در استاتور برای مشخص کردن محل روتور قرار گرفته‌است.
بیشتر موتورهای BLDC از سه سنسور اثر هال بهره می برند که بر روی استاتور تجهیز شده‌است.
هر کدام از سنسورها زمانی که روتور از مقابل سنسور می گذرد سیگنال‌های کوتاه و بلند را ایجاد می‌کنند.
ترتیب کلید زنی بر اساس پاسخ این سنسورها شکل می گیرد.
4- اصول کار و عملکرد موتورهای BLDC
این موتور به مانند موتورهای متعارف DC کار می‌کند. این موتور بر مبنای قاون نیروی لنز کار می‌کند که هر هادی حامل جریان تحت میدان مغناطیسی نیرویی را تجربه خواهد‌کرد.
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.
زمانی که سیم‌پیچ‌های استاتور به صورت الکترونیکی کلید زنی می‌شوند ، یک حالت الکترومغناطیس ایجاد‌می‌شود که تولید یک میدان نامتوازن در فاصله هوایی خواهد کرد.
اگرچه منبع تامین DCاست، سوئیچینگ موجب تولید شکل موج ولتاژ AC با شکل ذوزنقه ای می‌شود. با توجه به نیروی متقابل بین استاتور الکترومغناطیسی و روتور دائمی مغناطیسی، روتور به چرخش ادامه می‌دهد.
شکل زیر را در نظر بگیرید که در آن استاتور موتور بر اساس کلید زنی‌های مختلف شکل گرفته‌است.
این تعویض جهت جریان ایجاد قطب‌های شمال و جنوب در موتور می‌کند. این روتور مغناطیس دائم با قطب‌های شمال و جنوب دلیل چرخش روتور‌می‌شود.
مشاهده می‌شود که به علت این نیروهای جاذبه و دافعه گشتاور در موتور ایجاد‌می‌شود.
از این رو ، شاید این سوال پیش بیاید که چگونه متوجه شویم کدام سیم‌پیچ 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 سیم‌پیچ ها می‌باشد.
همانطور که در بالا مطرح شد سنسورهای اثر هال بازخوردی را از موقعیت مکانی شفت به واحد کنترل الکترونیکی می‌دهند.
بر اساس سیگنال‌های ناشی از سنسور ، این بخش کنترلی است که تصمیم می گیرد کدام سیم‌پیچ باید برق دار باشد.
5- راه انداز موتور DC بدون جاروبک
همان طور که در بالا ذکر شد واحد کنترل الکترونیکی با استفاده از روشن کردن ترانزیستور و یا کلید‌های حالت جامد دیگر سیم‌پیچ‌های خاص را برق دار کرده و عامل ادامه چرخش در موتور می‌شود.
شکل زیر مدار راه انداز ساده برای موتور بدون جاروبک را نشان می‌دهد که شامل پل ماسفت ، کنترل‌کننده الکترونیکی و سنسور اثر هال‌است.
در اینجا سنسور اثر هال برای ایجاد بازخورد از سرعت و موقعیت ایجاد شده‌است.
کنترل‌کننده الکترونیکی می‌تواند یک میکروکنترلر ، میکروپروسسور و یا واحد FPGA و یا هر کنترل‌کننده دیگری باشد.
این کنترل‌کننده این سیگنال‌ها را دریافت و آنها را پردازش می‌کند و دستورات کنترلی را به مدار راه انداز ماسفت ارسال می‌کند.
علاوه بر کلید زنی برای سرعت نامی موتور ، مدارات الکترونکی جانبی بر اساس کارکردها سرعت موتور را تغییر می‌دهد.
این واحدهای کنترلی معمولا به صورت کنترل‌کننده PID می‌باشد.
6- مزایا، معایب و کاربردهای موتور BLDC
مزایا:
این نوع از موتور ها در برابر موتورهای متعارف DC دارای چند برتری‌است 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 جاروبک‌ها می‌باشد.
- حجم کوچکتر و وزن کمتر نسبت به موتور القایی و موتورهای 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 :
- هزینه بالا
- سیستم کنترلی این موتور پر هزینه‌است
- در دسترس نبودن بسیاری از راه‌حل‌های کنترل الکترونیکی یکپارچه، مخصوصا برای موتورهای کوچک BLDC
- سیستم راه انداز پیجیده
- نیاز به سنسورهای جانبی
کاربردها:
این موتورها در زمینه بزرگی از کارها به مانند کنترل صنعتی ، اتوماسیون ، سیستم‌های اتوماتیک ، نیازمندهای خدمات سلامت و … کاریرد دارند که از جمله آنها می‌توان به موارد پایین اشاره کرد.
- درایو‌های سخت افزاری رایانه و پخش‌کننده CDو DVD
- وسایل نقلیه هیبرید و الکترونیکی و دوچرخه‌های الکتریکی
- ربات‌های صنعتی ، ابزار CNC
- ماشین‌های شستشو ، کمپرسورها و خشک‌کن‌‌ها
- فن ، پمپ و دمنده
لینک برای مطالعه بیشتر: