Co to jest silnik BLDC i jego zalety

1. Koncepcja bezszczotkowych silników prądu stałego

Bezszczotkowy silnik prądu stałego (BLDC), znany również jako silnik bezszczotkowy lub synchroniczny silnik prądu stałego, to typ silnika, który do działania nie wymaga szczotek ani komutatorów. Wejściem silnika BLDC jest prąd stały (DC), ale zasadniczo symuluje on prąd przemienny (AC) poprzez cykliczne przełączanie głównych przełączników falownika. Powoduje to wytworzenie zmiennego pola magnetycznego w uzwojeniach cewki, dzięki czemu wirnik silnika może doświadczać ciągłego momentu obrotowego, a tym samym ciągłego obrotu. Silniki BLDC można skonfigurować jako jednofazowe, dwufazowe lub trójfazowe, w zależności od liczby uzwojeń stojana. Najczęściej spotykanymi silnikami BLDC są silniki trójfazowe. Poniższy schemat ilustruje demontaż trójfazowego bezszczotkowego silnika prądu stałego.

2.Zastosowanie bezszczotkowych silników prądu stałego

Szacuje się, że do 2022 r. wielkość rynku silników BLDC osiągnie około 19,76 miliarda dolarów. Wraz z rozwojem technologii silników BLDC, silniki BLDC znalazły szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, w tym w wojsku, lotnictwie, przemyśle, motoryzacji, cywilnych systemach sterowania i sprzęcie gospodarstwa domowego. Są powszechnie stosowane w urządzeniach niskiego napięcia i małej mocy, takich jak małe roboty, drony, rowery elektryczne, odkurzacze i elektronarzędzia.

Poniżej znajduje się kilka popularnych aplikacji:

Odkurzacz/suszarka do włosów: Jeśli chodzi o suszarki do włosów i odkurzacze, dobrze znaną marką jest Dyson. Suszarka do włosów Dyson, promowana jako „czarna technologia nowej generacji”, wyposażona jest w inteligentny cyfrowy silnik V9, który jest mniejszy, lżejszy i szybszy niż tradycyjne silniki. Bez użycia szczotek węglowych silnik może osiągnąć prędkość do 110 000 obrotów na minutę, a przy tym jest mniejszy i lżejszy od innych silników. Silnik zastosowany w cyfrowym silniku Dysona to „jednofazowy bezszczotkowy silnik prądu stałego”, zasadniczo będący rodzajem silnika BLDC.

Drony/Gimbale:

Kluczem do sterowania silnikiem w dronach jest kontrola prędkości i kierunku. Najpopularniejszymi dronami są niewątpliwie te od DJI. Poniższy schemat przedstawia demontaż drona Spark, z widocznymi w każdym rogu czterema silnikami BLDC.

Podobne zastosowania obejmują gimbale.

Elektronarzędzia: Do popularnych ręcznych elektronarzędzi spotykanych w życiu codziennym zaliczają się klucze elektryczne, wiertarki i inne firmy Bosch. Energooszczędność i wysoka wydajność bezszczotkowych silników prądu stałego w połączeniu z ciągłą redukcją kosztów elektronarzędzi ręcznych doprowadziły do ​​szybkiego rozwoju stosowania silników BLDC w elektronarzędziach. W tym trendzie przodują najbardziej znani międzynarodowi producenci, tacy jak Bosch, Dewalt, Milwaukee i inni.

3. Konstrukcja bezszczotkowego silnika prądu stałego

Stojan: Stojan silnika BLDC składa się z laminowanych blach stalowych, z uzwojeniami umieszczonymi w szczelinach wyrzeźbionych wzdłuż wewnętrznej osi obwodowej. Stojan jest podobny do stojana silnika indukcyjnego, ale ma inny rozkład uzwojeń. Większość silników BLDC ma trzy uzwojenia stojana połączone w gwiazdę, każde składające się z wielu połączonych ze sobą cewek. Cewki są umieszczone w szczelinach i połączone ze sobą, tworząc uzwojenia. Uzwojenia te są rozmieszczone wzdłuż obwodu stojana, tworząc równomiernie rozmieszczone bieguny magnetyczne.

Wirnik: Silniki BLDC wykorzystują magnesy trwałe jako wirnik, bez cewek wewnątrz. Południowy i północny biegun magnetyczny wirnika są ułożone naprzemiennie. Dodatkowo, wraz z rozwojem technologii miękkich materiałów magnetycznych i spadkiem cen, do produkcji wirników z magnesami trwałymi coraz częściej stosuje się wysokowydajne materiały ziem rzadkich, takie jak neodym, żelazo, bor. Dzięki wysokiej produktywności energii magnetycznej i stabilnym właściwościom silniki BLDC mają lepsze właściwości mechaniczne i dynamiczną reakcję, a także wyższą wydajność i zakres prędkości. Oto schematyczny diagram przekroju magnesu wirnika z podstawowego dokumentu dotyczącego BLDC firmy Microchip:

Czujniki Halla: Najważniejszym aspektem sterowania silnikiem BLDC jest identyfikacja położenia wirnika. Istnieją dwie metody identyfikacji położenia: jedna polega na wykorzystaniu czujników położenia do identyfikacji położenia wirnika, zwanych czujnikami Halla; druga metoda jest bezczujnikowa i polega na określeniu położenia wirnika poprzez wykrycie siły elektromotorycznej. W przypadku silników BLDC z czujnikami większość silników BLDC ma wbudowane trzy czujniki Halla w stojanie. Podczas każdej komutacji jedno uzwojenie jest podłączone do bieguna dodatniego zasilacza sterującego (prąd wpływa do uzwojenia), drugie uzwojenie jest podłączone do bieguna ujemnego (wypływa z niego prąd), a trzecie uzwojenie jest w stanie rozłączonym. Moment obrotowy jest generowany w wyniku interakcji pomiędzy polem magnetycznym wytwarzanym przez cewki stojana i magnesem trwałym. Kiedy biegun magnetyczny wirnika przejdzie w pobliżu czujnika Halla, czujnik wygeneruje sygnał o wysokim lub niskim poziomie, wskazując, że południowy/północny biegun magnetyczny przechodzi przez obszar wykrywany przez czujnik Halla. Przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałami wysyłanymi przez czujniki Halla może wynosić 60° lub 120°.