Τι είναι ο κινητήρας BLDC και τα πλεονεκτήματά του

1. Έννοια των κινητήρων συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες

Ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες (BLDC), επίσης γνωστός ως κινητήρας χωρίς ψήκτρες ή σύγχρονος κινητήρας συνεχούς ρεύματος, είναι ένας τύπος κινητήρα που δεν απαιτεί βούρτσες ή μεταγωγείς για λειτουργία. Η είσοδος σε έναν κινητήρα BLDC είναι συνεχές ρεύμα (DC), αλλά ουσιαστικά προσομοιώνει το εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) με κυκλική εναλλαγή των κύριων διακοπτών του μετατροπέα. Αυτό δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο στις περιελίξεις του πηνίου, επιτρέποντας στον ρότορα του κινητήρα να βιώνει συνεχή ροπή και συνεπώς συνεχή περιστροφή. Οι κινητήρες BLDC μπορούν να διαμορφωθούν ως μονοφασικοί, διφασικοί ή τριφασικοί ανάλογα με τον αριθμό των περιελίξεων του στάτη. Οι κινητήρες BLDC που συναντώνται πιο συχνά είναι οι τριφασικοί κινητήρες. Το παρακάτω διάγραμμα απεικονίζει την αποσυναρμολόγηση ενός τριφασικού κινητήρα συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες.

2.Εφαρμογή κινητήρων συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες

Υπολογίζεται ότι το μέγεθος της αγοράς των κινητήρων BLDC θα φτάσει περίπου τα 19,76 δισεκατομμύρια δολάρια έως το 2022. Με την τεχνολογία κινητήρων BLDC να γίνεται ολοένα και πιο ώριμη, οι κινητήρες BLDC έχουν βρει εκτεταμένες εφαρμογές σε διάφορους τομείς, όπως στρατιωτικοί, αεροδιαστημικοί, βιομηχανικοί, αυτοκίνητα, συστήματα πολιτικού ελέγχου και οικιακές συσκευές. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε συσκευές χαμηλής τάσης, χαμηλής ισχύος, όπως μικρά ρομπότ, drones, ηλεκτρικά ποδήλατα, ηλεκτρικές σκούπες και ηλεκτρικά εργαλεία.

Παρακάτω είναι μερικές δημοφιλείς εφαρμογές:

Ηλεκτρική σκούπα/Πιστολάκι μαλλιών: Όταν πρόκειται για πιστολάκια μαλλιών ή ηλεκτρικές σκούπες, η γνωστή μάρκα είναι η Dyson. Το πιστολάκι μαλλιών Dyson, που προωθείται ως «μαύρη τεχνολογία επόμενης γενιάς», διαθέτει τον ευφυή ψηφιακό κινητήρα V9, ο οποίος είναι μικρότερος, ελαφρύτερος και ταχύτερος από τους παραδοσιακούς κινητήρες. Χωρίς τη χρήση βουρτσών άνθρακα, ο κινητήρας μπορεί να επιτύχει ταχύτητα έως και 110.000 στροφών ανά λεπτό και είναι μικρότερος και ελαφρύτερος από άλλους κινητήρες. Ο κινητήρας που χρησιμοποιείται στον ψηφιακό κινητήρα της Dyson είναι ένας «μονοφασικός κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες», ουσιαστικά ένας τύπος κινητήρα BLDC.

Drones/Gimbals:

Το κλειδί για τον έλεγχο του κινητήρα στα drones είναι ο έλεγχος ταχύτητας και κατεύθυνσης. Τα πιο δημοφιλή drones είναι αναμφίβολα αυτά της DJI. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει την αποσυναρμολόγηση του Spark drone, με τέσσερις κινητήρες BLDC ορατούς σε κάθε γωνία.

Παρόμοιες εφαρμογές περιλαμβάνουν τα gimbals.

Ηλεκτρικά εργαλεία: Τα κοινά ηλεκτρικά εργαλεία χειρός που συναντάμε στην καθημερινή ζωή περιλαμβάνουν τα ηλεκτρικά κλειδιά, τα τρυπάνια της Bosch και άλλα. Η εξοικονόμηση ενέργειας και η υψηλή απόδοση των κινητήρων συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες, σε συνδυασμό με τη συνεχή μείωση του κόστους των φορητών ηλεκτρικών εργαλείων, έχουν οδηγήσει σε ταχεία ανάπτυξη στη χρήση κινητήρων BLDC στα ηλεκτρικά εργαλεία. Οι πιο γνωστοί διεθνείς κατασκευαστές, όπως οι Bosch, Dewalt, Milwaukee και άλλοι, πρωτοστατούν σε αυτήν την τάση.

3.Κατασκευή κινητήρα συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες

Στάτης: Ο στάτορας ενός κινητήρα BLDC αποτελείται από ελασματοποιημένα φύλλα χάλυβα, με περιελίξεις τοποθετημένες σε σχισμές λαξευμένες κατά μήκος του εσωτερικού περιφερειακού άξονα. Ο στάτορας είναι παρόμοιος με αυτόν ενός επαγωγικού κινητήρα αλλά με διαφορετική κατανομή περιελίξεων. Οι περισσότεροι κινητήρες BLDC έχουν τρεις περιελίξεις στάτορα συνδεδεμένα με αστέρι, το καθένα από τα οποία αποτελείται από πολλαπλά πηνία διασυνδεδεμένα. Τα πηνία τοποθετούνται στις υποδοχές και συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν περιελίξεις. Αυτές οι περιελίξεις κατανέμονται κατά μήκος της περιφέρειας του στάτορα για τη δημιουργία ομοιόμορφων μαγνητικών πόλων.

Ρότορας: Οι κινητήρες BLDC χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες ως ρότορα, χωρίς πηνία μέσα. Ο νότιος και ο βόρειος μαγνητικός πόλος του ρότορα είναι διατεταγμένοι εναλλάξ. Επιπλέον, με την πρόοδο της τεχνολογίας μαλακών μαγνητικών υλικών και τη μείωση των τιμών, τα υλικά σπάνιων γαιών από σίδηρο νεοδυμίου υψηλής απόδοσης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την κατασκευή ρότορων μόνιμου μαγνήτη. Το προϊόν υψηλής μαγνητικής ενέργειας και τα σταθερά χαρακτηριστικά τους επιτρέπουν στους κινητήρες BLDC να έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες και δυναμική απόκριση, καθώς και υψηλότερη απόδοση και εύρος στροφών. Ακολουθεί ένα σχηματικό διάγραμμα της διατομής του μαγνήτη ρότορα από ένα βασικό έγγραφο για το BLDC από τη Microchip:

Αισθητήρες Hall: Η πιο κρίσιμη πτυχή του ελέγχου κινητήρα BLDC είναι η αναγνώριση της θέσης του ρότορα. Υπάρχουν δύο μέθοδοι για την αναγνώριση θέσης: η μία είναι η χρήση αισθητήρων θέσης για την αναγνώριση της θέσης του ρότορα, γνωστοί ως αισθητήρες Hall. Η άλλη μέθοδος είναι χωρίς αισθητήρα, η οποία περιλαμβάνει τον εντοπισμό της θέσης του ρότορα με την ανίχνευση της πίσω ηλεκτροκινητικής δύναμης. Για κινητήρες BLDC με αισθητήρες, οι περισσότεροι κινητήρες BLDC ενσωματώνουν τρεις αισθητήρες Hall στον στάτορα. Κατά τη διάρκεια κάθε μεταγωγής, ένα τύλιγμα συνδέεται στον θετικό πόλο του τροφοδοτικού ελέγχου (το ρεύμα εισέρχεται στην περιέλιξη), το δεύτερο τύλιγμα συνδέεται στον αρνητικό πόλο (το ρεύμα ρέει έξω από αυτό) και το τρίτο τύλιγμα είναι σε αποσυνδεδεμένη κατάσταση. Η ροπή παράγεται από την αλληλεπίδραση μεταξύ του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από τα πηνία του στάτη και του μόνιμου μαγνήτη. Όταν ο μαγνητικός πόλος του ρότορα περνά κοντά στον αισθητήρα Hall, ο αισθητήρας θα παράγει ένα σήμα υψηλής ή χαμηλής στάθμης, υποδεικνύοντας ότι ο νότιος/βόρειος μαγνητικός πόλος διέρχεται από την περιοχή που ανιχνεύεται από τον αισθητήρα Hall. Η μετατόπιση φάσης μεταξύ των σημάτων εξόδου από τους αισθητήρες Hall μπορεί να είναι είτε 60° είτε 120°.