1. קונספט של מנועי DC ללא מברשות
מנוע DC ללא מברשות (BLDC), הידוע גם בתור מנוע ללא מברשות או מנוע DC סינכרוני, הוא סוג של מנוע שאינו דורש מברשות או קומוטטורים לפעולה. הקלט למנוע BLDC הוא זרם ישר (DC), אך למעשה הוא מדמה זרם חילופין (AC) על ידי החלפה מחזורית של מתגי המהפך הראשיים. זה יוצר שדה מגנטי משתנה בפיתולי הסליל, מה שמאפשר לרוטור המנוע לחוות מומנט מתמשך ובכך סיבוב מתמשך. מנועי BLDC יכולים להיות מוגדרים כחד-פאזיים, דו-פאזיים או תלת-פאזיים בהתאם למספר פיתולי הסטטור. מנועי ה-BLDC הנפוצים ביותר הם מנועים תלת פאזיים. התרשים שלהלן ממחיש את הפירוק של מנוע DC תלת פאזי ללא מברשות.
2. יישום של מנועי DC ללא מברשות
ההערכה היא שגודל השוק של מנועי BLDC יגיע לכ-19.76 מיליארד דולר עד שנת 2022. עם טכנולוגיית מנועי BLDC שהולכת ומתבגרת, מנועי BLDC מצאו יישומים נרחבים בתחומים שונים כולל צבא, תעופה וחלל, תעשייה, רכב, מערכות בקרה אזרחיות ומכשירי חשמל ביתיים. הם נמצאים בשימוש נפוץ במכשירי מתח נמוך ובעלי הספק נמוך כגון רובוטים קטנים, מזל'טים, אופניים חשמליים, שואבי אבק וכלי עבודה חשמליים.
להלן כמה יישומים פופולריים:
שואב אבק/מייבש שיער: כשמדובר במייבשי שיער או שואבי אבק, המותג הידוע הוא דייסון. מייבש השיער של Dyson, המקודם כ'טכנולוגיית השחור של הדור הבא', כולל את המנוע הדיגיטלי החכם V9, שהוא קטן יותר, קל ומהיר יותר ממנועים מסורתיים. ללא שימוש במברשות פחמן, המנוע יכול להגיע למהירות של עד 110,000 סיבובים לדקה, והוא קטן וקל יותר ממנועים אחרים. המנוע המשמש במנוע הדיגיטלי של דייסון הוא 'מנוע DC ללא מברשות חד פאזי', בעצם סוג של מנוע BLDC.
מזל'טים/גימבלים:
המפתח לבקרת מנוע במזל'טים הוא בקרת מהירות וכיוון. המל'טים הפופולריים ביותר הם ללא ספק אלה של DJI. התרשים שלהלן מציג את הפירוק של מזל'ט Spark, עם ארבעה מנועי BLDC נראים בכל פינה.
יישומים דומים כוללים גימבלים.
כלי עבודה חשמליים: כלים חשמליים כף יד נפוצים הנמצאים בחיי היומיום כוללים מפתח ברגים חשמליים, מקדחות ואחרים של Bosch. החיסכון באנרגיה והיעילות הגבוהה של מנועי DC ללא מברשות, יחד עם הפחתה מתמשכת בעלות של כלי עבודה כף יד, הובילו להתפתחות מהירה בשימוש במנועי BLDC בכלים חשמליים. היצרניות הבינלאומיות המוכרות ביותר, כמו בוש, דיוולט, מילווקי ואחרות, מובילות את המגמה הזו.
3. בניית מנוע DC ללא מברשות
סטטור: הסטטור של מנוע BLDC מורכב מיריעות פלדה למינציה, עם פיתולים הממוקמים בחריצים מגולפים לאורך הציר ההיקפי הפנימי. הסטטור דומה לזה של מנוע אינדוקציה אך עם חלוקת פיתולים שונה. לרוב מנועי ה-BLDC יש שלושה פיתולי סטטור המחוברים לכוכב, שכל אחד מהם מורכב ממספר סלילים המחוברים ביניהם. סלילים ממוקמים בחריצים ומחוברים ביניהם ליצירת פיתולים. פיתולים אלה מפוזרים לאורך היקף הסטטור כדי ליצור קטבים מגנטיים מרווחים באופן שווה.
רוטור: מנועי BLDC משתמשים במגנטים קבועים בתור הרוטור, ללא סלילים בפנים. הקטבים המגנטיים הדרומיים והצפוניים של הרוטור מסודרים לסירוגין. בנוסף, עם התקדמות טכנולוגיית החומרים המגנטיים הרכים והירידה במחירים, נעשה יותר ויותר שימוש בחומרי אדמה נדירים של ברזל ניאודימיום עם ביצועים גבוהים לייצור רוטורים מגנטים קבועים. תוצר האנרגיה המגנטית הגבוהה והמאפיינים היציבים שלהם מאפשרים למנועי BLDC להיות בעלי תכונות מכניות טובות יותר ותגובה דינמית, כמו גם יעילות וטווח מהירות גבוהים יותר. להלן תרשים סכמטי של חתך מגנט הרוטור ממסמך עקרוני על BLDC על ידי Microchip:
חיישני אולם: ההיבט המכריע ביותר של בקרת מנוע BLDC הוא זיהוי מיקום הרוטור. ישנן שתי שיטות לזיהוי מיקום: האחת היא להשתמש בחיישני מיקום כדי לזהות את מיקום הרוטור, המכונה חיישני הול; השיטה האחרת היא ללא חיישנים, הכוללת זיהוי מיקום הרוטור על ידי זיהוי כוח אלקטרו-מוטיבי. עבור מנועי BLDC עם חיישנים, רוב מנועי ה-BLDC מטמיעים שלושה חיישני Hall בסטטור. במהלך כל התמורה, פיתול אחד מחובר לקוטב החיובי של ספק הכוח הבקרה (זרם נכנס לפיתול), הפיתול השני מחובר לקוטב השלילי (זרם זורם ממנו), והפיתול השלישי במצב מנותק. המומנט נוצר על ידי האינטראקציה בין השדה המגנטי המופק על ידי סלילי הסטטור לבין המגנט הקבוע. כאשר הקוטב המגנטי של הרוטור עובר ליד חיישן ההול, החיישן ישלח אות ברמה גבוהה או נמוכה, המציין שהקוטב המגנטי הדרומי/צפוני עובר באזור הנחוש על ידי חיישן ההול. הסטת הפאזה בין האותות המופקים על ידי חיישני הול יכולה להיות 60° או 120°.
