Hogyan működnek a kefe nélküli DC (BLDC) motorok

A bejegyzés átfogóan részletezi a kefe nélküli egyenáramú motorok alapvető működési koncepcióját, más néven BLDC motorokat.

Különbség a csiszolt és a kefe nélküli egyenáramú motorok között

Hagyományos szálcsiszolt motorjainkban keféket alkalmaznak a központi mozgó rotor kapcsolására a környező írószer állandó mágneses állórészéhez képest.

A kefék elengedhetetlenné válnak, mert a rotort olyan elektromágnesek felhasználásával készítik, amelyeknek működésükhöz energiára van szükségük, de mivel forgatniuk is kell, a dolgok ügyetlenné válnak, és a kefék válnak az egyetlen alternatívaként a forgó elektromágneses rotor áramellátásához.

Éppen ellenkezőleg, a kefe nélküli egyenáramú motoroknál vagy a BLDC motoroknál van egy írószer központi állórész és egy körülvevő kör alakú rotor. Az állórész elektromágnesek sorozatából áll, miközben a rotor állandó mágnesekkel rendelkezik, amelyek kerülete mentén egy bizonyos számított helyzetben vannak rögzítve.

Hall-effektus érzékelők használata

A mechanizmusnak van egy Hall-effektus-érzékelője is, amely a rotor és mágneseinek helyzetének érzékelésére vonatkozik az állórész elektromágneséhez viszonyítva, és az adatokat egy külső kapcsolóáramkörhöz továbbítja, amely azután felelőssé válik az elektromágnesek aktiválásáért / deaktiválásáért. helyes sorrend vagy időzítés, befolyásolva a rotor forgási mozgását.

A fenti magyarázat megérthető a következő alapvető ábra segítségével, majd a későbbi képeken egy kidolgozott kivitellel.

Megtanultunk és tudunk néhány érdekes dolgot a mágnesekről és arról, hogy ezek az eszközök hogyan hatnak egymással.

Tudjuk, hogy a mágnes északi pólusa vonzza egy másik mágnes déli sarkát, miközben a pólusok taszítják.

Az állandó mágnesek elhelyezkedése

A fenti ábrán egy olyan lemezt láthatunk, amelynek szélén be van ágyazva a mágnes (piros színnel), és amely északi pólussal kifelé helyezkedik el, valamint egy elektromágneset, amely párhuzamos távolságra helyezkedik el a korong kör alakú szélétől, amely déli mágneses mező feszültség alatt.

Most azt feltételezve, hogy az elrendezés az első felső ábrán látható módon helyezkedik el, az elektromágnes inaktivált állapotban van.

Ebben a helyzetben, amint az elektromágnes megfelelő DC bemenettel aktiválódik, eléri és déli mágneses teret generál, amely befolyásolja a lemezmágnes fölötti húzóerőt, ami viszont arra kényszeríti a lemezt, hogy bizonyos forgatónyomatékkal forogjon, amíg állandó mágnese egy vonalba nem kerül az elektromágnesek a fluxussal ellentétes irányban.

A fenti művelet megmutatja az alapformátumot, amelyben a BLDC koncepció működik.

Hogyan működik a BLDC motor a Hall Effect érzékelőkkel

Most nézzük meg, hogyan valósítják meg a fenti koncepciót Hall-effektus-érzékelőkkel annak érdekében, hogy fenntartsák a rotor folyamatos mozgását.

Az alábbi példa diagram átfogóan elmagyarázza a mechanizmust:

A fenti ábrán alapvetően egy egyszerű BLDC rotor / állórész elrendezést láthatunk, ahol a külső kör alakú elem a forgó rotor, miközben a központi elektromágnes válik a rögzített állórészsé.

Látható volt, hogy a rotoron a periférián rögzített pár állandó mágnes van, amelyeknek déli pólusa van a fluxus befolyásoló vonalaként. A központi állórész egy erős elektromágnes, amelyet úgy terveztek, hogy egyenértékű északi sarki mágneses fluxust generáljon, amikor egy külső DC.

A belső rotor kerülete egyik sarkának közelében elhelyezkedő hall-érzékelőt is vizualizálhatjuk. A Hall-effektus alapvetően érzékeli a forgó rotor mágneses terét, és a jelet az állórész elektromágnesek áramellátásáért felelős vezérlő áramkörbe táplálja.

A felső helyzetre utalva a rotor vakterületét (amely semmiféle mágneses teret nem tartalmaz) látunk szoros kapcsolatban a hall-érzékelővel, és kikapcsolt állapotban tartjuk.

Ebben a pillanatban a csarnok effektus kikapcsolási jele tájékoztatja a vezérlő áramkört az elektromágnesek bekapcsolásáról, ami azonnal húzóhatást vált ki a sarkánál álló rotor déli pólusán.

Amikor ez megtörténik, a déli pólus hirtelen leesik, előállítva a szükséges forgatónyomatékot a rotoron, és megpróbálja igazodni az elektromágnes északi pólusával.

Ennek során azonban a rotor déli pólusa is a hall érzékelőhöz közel húzza magát (amint az az alsó ábrán látható), amely ezt azonnal észleli, és bekapcsol, és tájékoztatja a vezérlő áramkört az elektromágnesek kikapcsolásáról.

Az elektromágnesek kikapcsolási ideje döntő

Az elektromágnesek megfelelő pillanatban történő kikapcsolása, amint azt a hall-effektus érzékelő jelzi, tiltja a rotor mozgásának elakadását és akadályozását, inkább lehetővé teszi, hogy a mozgást a generált forgatónyomatékon keresztül folytassa, amíg az előző helyzet meg nem kezd formálódni, és a csarnokig. Az érzékelő ismét „megérzi” a rotor üres területét és kikapcsol, megismételve a ciklust.

A hall-érzékelő fenti váltása a rotor különböző helyzeteinek megfelelően folyamatos forgási mozgást eredményez egy olyan nyomatékkal, amely egyenesen arányos lehet az állórész / rotor mágneses interakcióival, és természetesen a csarnokhatás-pozícionálást.

A fenti megbeszélések elmagyarázzák a legalapvetőbb két mágnest, egy hall érzékelő mechanizmust.

A kivételesen nagyobb nyomaték elérése érdekében több mágnest és elektromágnes-készletet alkalmaznak más nagyobb hatásfokú kefe nélküli motorokban, amelyeknél egynél több hall effektus-érzékelő látható a rotor mágnesek többszörös érzékelésének megvalósításához, így különböző elektromágnes-készletek kapcsolhatók előnyben részesített helyes sorrend.

A BLDC motor vezérlése

Eddig megértettük a munka alapvető koncepcióját BLDC motorok és megtudtuk, hogy egy Hall-szenzort hogyan használnak a motor elektromágnesének aktiválásához egy külső csatlakoztatott elektronikus áramkörön keresztül a rotor folyamatos forgó mozgásának fenntartása érdekében. A következő részben azt tanulmányozzuk, hogy a BLDC meghajtó áramköre miként működik a BLDC motorok vezérléséhez

A rögzített állórész-elektromágnes és a forgó szabad mágneses rotor megvalósításának módszere nagyobb hatékonyságot biztosít a BLDC motorok számára, szemben a hagyományos szálcsiszolt motorokkal, amelyek topológiája teljesen ellentétes, ezért kefékre van szükségük a motor működéséhez. Az ecsetek használata viszonylag hatástalanná teszi az eljárásokat a hosszú élettartam, a fogyasztás és a méret szempontjából.

A BLDC motor hátránya

Bár a BLDC típusok lehetnek a leghatékonyabb motorkoncepciók, egyetlen jelentős hátránya van, hogy működtetéséhez külső elektronikus áramkörre van szükség. A modern IC-k és az érzékeny Hall-érzékelők megjelenésével azonban ez a kérdés meglehetősen triviálisnak tűnik, összehasonlítva a koncepció nagyfokú hatékonyságával.

4 mágneses BLDC meghajtó A tervezés

Ebben a cikkben egy egyszerű és alapvető vezérlő áramkört tárgyalunk egy négymágneses, egycsarnokos érzékelő típusú BLDC motor számára. A motor működését meg lehet érteni az alábbi motormechanizmus diagramra hivatkozva:

A fenti kép egy alapvető BLDC motorelrendezést mutat, amelynek két állandó mágneskészlete van egy külső rotor kerületén és két központi elektromágnes készlet (A, B, C, D) állórészként.

Az A, B vagy C forgatónyomaték beindításához és fenntartásához a D elektromágneseknek aktivált állapotban kell lenniük (soha nem együtt), a rotor mágnes északi / déli pólusának az aktivált elektromágnesekhez viszonyított helyzetétől függően.

Hogyan működik a BLDC motorvezérlő

Tegyük fel, hogy a fenti szcenárióban bemutatott helyzetet vesszük A és B kapcsolóval bekapcsolt állapotban úgy, hogy az A oldalt a déli pólus, míg a B oldalt az északi pólus táplálja.

Ez azt jelentené, hogy az A oldal húzóhatást gyakorolna a bal kék északi sarkra, és taszító hatást gyakorolna az állórész jobb oldali déli sarkára, hasonlóan a B oldal húzza az alsó piros déli sarkot és taszítja a felső északot A rotor pólusa .... akkor feltételezhető, hogy az egész folyamat lenyűgöző óramutató járásával megegyező irányú mozgást fejt ki a rotor mechanizmusa felett.
Tegyük fel azt is, hogy a fenti helyzetben a Hall-érzékelő inaktivált állapotban van, mivel ez lehet egy „déli pólusú aktivált” Hall-érzékelő eszköz.

A fenti hatás megpróbálná úgy beállítani és erőltetni a rotort, hogy a déli szemtől szembe reteszelődik a B oldallal, míg az északi pólus az A oldallal, azonban mielőtt ez a helyzet át tudna merülni, a Hall-érzékelőt a a rotor felső déli pólusának eltolódása, és amikor ez csak áthalad a Hall-érzékelőn, kénytelen bekapcsolni, pozitív jelet küldve a csatlakoztatott vezérlő áramkörnek, amely azonnal reagál és kikapcsolja az A / B elektromágneseket, és bekapcsolja az elektromágneseket C / D, ügyelve arra, hogy a rotor óramutató járásával megegyező irányú nyomatéka ismét érvényesüljön, fenntartva a rotor állandó forgatónyomatékát.

Alapvető BLDC meghajtó áramkör

Az elektromágnesek fent ismertetett kapcsolása a Hall-érzékelő kiváltó jelére válaszul nagyon egyszerűen megvalósítható a következő egyszerű BLDC vezérlő áramkör ötlet segítségével.

Az áramkörnek nincs sok magyarázata, mivel a Hall szenzor bekapcsolási helyzete során a BC547 és a csatlakoztatott TIP122 is alaposan bekapcsol, ami viszont bekapcsolja a kollektorukra erősített és pozitív elektromágneseket. , a Hall-érzékelő kikapcsolási időszaka alatt a BC547 / TIP122 pár ki van kapcsolva, de a bal szélső TIP122 tranzisztor BE van kapcsolva, ezzel aktiválva az ellentétes elektromágnes halmazokat.

A helyzet váltakozva, folyamatosan változik, amíg az áram továbbra is fennmarad, miközben a BLDC a szükséges forgatónyomatékkal és lendülettel forog.