موتور BLDC چیست و مزایای آن

1. مفهوم موتورهای DC بدون جاروبک

موتور DC بدون جاروبک (BLDC) که به عنوان موتور بدون جاروبک یا موتور DC سنکرون نیز شناخته می شود، نوعی موتور است که برای کار به برس یا کموتاتور نیاز ندارد. ورودی موتور BLDC جریان مستقیم (DC) است، اما اساساً جریان متناوب (AC) را با سوئیچ کردن چرخه‌ای کلیدهای اینورتر اصلی شبیه‌سازی می‌کند. این یک میدان مغناطیسی متغیر در سیم‌پیچ‌های سیم‌پیچ ایجاد می‌کند و به روتور موتور اجازه می‌دهد تا گشتاور پیوسته و در نتیجه چرخش مداوم را تجربه کند. موتورهای BLDC را می توان به صورت تک فاز، دو فاز یا سه فاز بسته به تعداد سیم پیچ های استاتور پیکربندی کرد. متداول ترین موتورهای BLDC موتورهای سه فاز هستند. نمودار زیر جداسازی یک موتور DC بدون جاروبک سه فاز را نشان می دهد.

2. کاربرد موتورهای DC بدون جاروبک

تخمین زده می شود که اندازه بازار موتورهای BLDC تا سال 2022 به حدود 19.76 میلیارد دلار برسد. با رشد روزافزون فناوری موتور BLDC، موتورهای BLDC کاربردهای گسترده ای در زمینه های مختلف از جمله نظامی، هوافضا، صنعتی، خودروسازی، سیستم های کنترل غیرنظامی و لوازم خانگی پیدا کرده اند. آنها معمولاً در دستگاه های کم ولتاژ و کم مصرف مانند ربات های کوچک، هواپیماهای بدون سرنشین، دوچرخه های برقی، جاروبرقی ها و ابزارهای برقی استفاده می شوند.

در زیر برخی از برنامه های کاربردی محبوب آورده شده است:

جاروبرقی/ سشوار: وقتی صحبت از سشوار یا جاروبرقی می شود، برند معروف آن Dyson است. سشوار Dyson که به عنوان 'نسل بعدی فناوری سیاه' تبلیغ می شود، دارای موتور دیجیتال هوشمند V9 است که کوچکتر، سبک تر و سریعتر از موتورهای سنتی است. بدون استفاده از برس های کربنی، موتور می تواند به سرعت 110000 دور در دقیقه دست یابد و از موتورهای دیگر کوچکتر و سبک تر است. موتور مورد استفاده در موتور دیجیتال Dyson یک 'موتور DC تک فاز بدون جاروبک' است که در اصل نوعی موتور BLDC است.

هواپیماهای بدون سرنشین / گیمبال ها:

کلید کنترل موتور در هواپیماهای بدون سرنشین کنترل سرعت و جهت است. محبوب ترین پهپادها بدون شک پهپادهای DJI هستند. نمودار زیر جداسازی پهپاد اسپارک را نشان می دهد که در هر گوشه آن چهار موتور BLDC قابل مشاهده است.

برنامه های مشابه شامل گیمبال ها هستند.

ابزارهای برقی: ابزارهای برقی رایج دستی که در زندگی روزمره یافت می شوند عبارتند از آچار برقی بوش، مته و غیره. صرفه جویی در انرژی و راندمان بالای موتورهای DC بدون جاروبک، همراه با کاهش مداوم هزینه ابزارهای برقی دستی، منجر به توسعه سریع استفاده از موتورهای BLDC در ابزارهای برقی شده است. شناخته شده ترین تولید کنندگان بین المللی مانند بوش، دیوالت، میلواکی و غیره، این روند را رهبری می کنند.

3. ساخت و ساز موتور DC بدون جاروبک

استاتور: استاتور یک موتور BLDC از ورقه های فولادی چند لایه تشکیل شده است که سیم پیچ هایی در شکاف هایی که در امتداد محور محیطی داخلی حک شده اند قرار می گیرد. استاتور شبیه موتورهای القایی است اما با توزیع سیم پیچ متفاوت است. اکثر موتورهای BLDC دارای سه سیم پیچ استاتور متصل به ستاره هستند که هر کدام از سیم پیچ های متعدد به هم متصل هستند. سیم پیچ ها در شکاف ها قرار می گیرند و به هم متصل می شوند تا سیم پیچ ها را تشکیل دهند. این سیم‌پیچ‌ها در امتداد محیط استاتور توزیع می‌شوند تا قطب‌های مغناطیسی با فاصله یکسان ایجاد کنند.

روتور: موتورهای BLDC از آهنرباهای دائمی به عنوان روتور استفاده می کنند، بدون سیم پیچ در داخل. قطب های مغناطیسی جنوب و شمال روتور به طور متناوب مرتب شده اند. علاوه بر این، با پیشرفت فناوری مواد مغناطیسی نرم و کاهش قیمت ها، مواد خاکی کمیاب نئودیمیم آهن بور با کارایی بالا به طور فزاینده ای برای ساخت روتورهای آهنربای دائمی استفاده می شوند. محصول با انرژی مغناطیسی بالا و ویژگی‌های پایدار آنها، موتورهای BLDC را قادر می‌سازد تا خواص مکانیکی و پاسخ دینامیکی بهتری داشته باشند و همچنین راندمان و محدوده سرعت بالاتری داشته باشند. در اینجا یک نمودار شماتیک از مقطع آهنربای روتور از یک سند اصلی در BLDC توسط Microchip آمده است:

سنسورهای هال: مهمترین جنبه کنترل موتور BLDC، شناسایی موقعیت روتور است. دو روش برای شناسایی موقعیت وجود دارد: یکی استفاده از حسگرهای موقعیت برای شناسایی موقعیت روتور که به سنسور هال معروف هستند. روش دیگر بدون حسگر است که شامل شناسایی موقعیت روتور با تشخیص نیروی الکتروموتور برگشتی است. برای موتورهای BLDC دارای سنسور، اکثر موتورهای BLDC سه سنسور هال را در استاتور تعبیه می کنند. در طول هر کموتاسیون، یک سیم پیچ به قطب مثبت منبع تغذیه کنترل متصل می شود (جریان وارد سیم پیچ می شود)، سیم پیچ دوم به قطب منفی (جریان از آن خارج می شود) و سیم پیچ سوم در حالت قطع است. گشتاور از تعامل بین میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ های استاتور و آهنربای دائمی ایجاد می شود. هنگامی که قطب مغناطیسی روتور از نزدیک سنسور هال عبور می کند، سنسور یک سیگنال سطح بالا یا پایین خروجی می دهد که نشان می دهد قطب مغناطیسی جنوب/شمال از ناحیه حسگر هال عبور می کند. تغییر فاز بین سیگنال های خروجی توسط سنسورهای هال می تواند 60 درجه یا 120 درجه باشد.