כיצד פועלים מנועי DC ללא מברשות (BLDC)

הפוסט מפרט באופן מקיף את תפיסת ההפעלה הבסיסית של מנועי DC ללא מברשות הנקראים גם מנוע BLDC.

ההבדל בין מנועי DC מוברשים ללא מברשות

במנועים המוברשים המסורתיים שלנו משתמשים במברשות על מנת להחליף את הרוטור הנע המרכזי ביחס לסטטור המגנטים הקבוע של נייר המכתבים.

מברשות הופכות להיות הכרחיות מכיוון שהרוטור מיוצר באמצעות אלקטרומגנטים הזקוקים לכוח להפעלה, אך מכיוון שהוא גם צריך לסובב הדברים הופכים מגושמים והמברשות הופכות לחלופה היחידה לספק כוח לרוטור האלקטרומגנטי המסתובב.

נהפוך הוא במנועי DC ללא מברשות או מנועי BLDC יש לנו סטטור מרכזי למכתבים ורוטור מעגלי שמסביב. הסטטור מורכב ממערכת אלקטרומגנטים ואילו לרוטור מודבקים מגנטים קבועים על פני היקפו במיקומים מחושבים מסוימים.

שימוש בחיישני אפקט הול

המנגנון כולל גם חיישן אפקט הול המותקן על מנת לחוש את מיקום הרוטור והמגנטים שלו ביחס לאלקטרומגנט הסטטור וליידע את הנתונים למעגל מיתוג חיצוני ואז הופך לאחראי להפעלה / השבתה של האלקטרומגנטים בבית. רצף או תזמון נכון, ומשפיעים על תנועת סיבוב על הרוטור.

ניתן להבין את ההסבר לעיל בעזרת האיור הבסיסי הבא ולאחר מכן באמצעות תכנון משוכלל בתמונות הבאות.

למדנו וידענו לא מעט דברים מעניינים על מגנטים וכיצד מתקשרים מכשירים אלה.

אנו יודעים כי הקוטב הצפוני של המגנט מושך את הקוטב הדרומי של מגנט אחר בעוד שקטבים דוחים.

כיצד ממוקמים מגנטים קבועים

בתרשים המוצג לעיל אנו רואים דיסק עם מגנט מוטבע בקצהו (מוצג בצבע אדום) אשר ממוקם עם הקוטב הצפוני כלפי חוץ, וגם אלקטרומגנט הממוקם בסמיכות מקבילה לקצה העגול של הדיסק המייצר שדה מגנטי דרומי כשהוא ממונע.

כעת בהנחה שההסדר ממוקם כמתואר בתרשים העליון הראשון עם האלקטרומגנט במצב מבוטל.

במצב זה ברגע שהאלקטרומגנט מופעל עם כניסת DC מתאימה הוא משיג ויוצר שדה מגנטי דרומי המשפיע על כוח משיכה מעל מגנט הדיסק שבתורו מכריח את הדיסק להסתובב עם מומנט כלשהו עד שהמגנט הקבוע שלו מגיע בקנה אחד עם אלקטרומגנטים מנוגדים לקווי שטף.

הפעולה שלעיל מציגה את הפורמט הבסיסי בו פועל הרעיון של BLDC.

כיצד פועל מנוע BLDC עם חיישני אפקט הול

עכשיו בואו נראה כיצד למעשה מיושם הרעיון הנ'ל באמצעות חיישני אפקט הול כדי לקיים תנועה רציפה מעל הרוטור.

התרשים לדוגמה הבא מסביר את המנגנון באופן מקיף:

בתרשים שלעיל אנו רואים בעצם סידור רוטור / סטטור BLDC ישר, כאשר האלמנט המעגלי החיצוני הוא הרוטור המסתובב ואילו האלקטרומגנט המרכזי הופך לסטטור הקבוע.

ניתן היה לראות ברוטור שיש כמה מגנטים קבועים קבועים בפריפריה עם הקוטב הדרומי כקווי השטף המשפיעים, הסטטור המרכזי הוא אלקטרומגנט חזק שנועד לייצר חוזק שווה של השטף המגנטי של הקוטב הצפוני כאשר הוא מופעל באמצעות DC חיצוני.

אנו יכולים גם לדמיין חיישן אולם הממוקם ליד אחת מפינות פריפרית הרוטור הפנימית. אפקט ההיכל חש באופן בסיסי את השדה המגנטי של הרוטור המסתובב ומזין את האות למעגל בקרה האחראי על הפעלת אלקטרומגנטים סטטוריים.

בהתייחס למיקום העליון אנו רואים את האזור הריק (הריק מכל שדה מגנטי) של הרוטור במגע קרוב עם חיישן האולם ושומר אותו במצב כבוי.

ברגע זה, אות הכיבוי מאפקט האולם מודיע למעגל הבקרה להפעיל את האלקטרומגנטים, מה שגורם באופן מיידי לאפקט משיכה על הקוטב הדרומי של הרוטור העומד ממש מעבר לפינה.

כאשר זה קורה הקוטב הדרומי יורד גואה ומייצר את המומנט הנדרש על הרוטור ומנסה ליישר את עצמו בקו אחד עם הקוטב הצפוני של האלקטרומגנט.

עם זאת תוך כדי הקוטב הדרומי של הרוטור מתקרב גם הוא לחיישן האולם (כפי שמוצג בתרשים התחתון) אשר מזהה זאת באופן מיידי ומופעל ומודיע למעגל הבקרה לכבות את האלקטרומגנטים.

כיבוי זמן האלקטרומגנטים הוא קריטי

כיבוי האלקטרומגנטים ברגע הנכון כפי שמסמן על ידי חיישן אפקט האולם, אוסר על הצבת ותנועת הרוטור, אלא מאפשר לו להמשיך בתנועה דרך המומנט שנוצר עד שהמצב הקודם מתחיל להתעצב, ועד האולם. החיישן שוב 'מרגיש' את האזור הריק של הרוטור ונכבה וחוזר על המחזור.

ההחלפה הנ'ל של חיישן האולם בהתאם למיקומי הרוטור השונים גורמת לתנועה סיבובית רציפה עם טואק שעשויה להיות פרופורציונלית ישירות לאינטראקציות המגנטיות בין הרוטור, וכמובן שמיקום אפקט האולם.

הדיונים לעיל מסבירים את שני המגנטים הבסיסיים ביותר, מנגנון חיישן אולם אחד.

על מנת להשיג מומנטים גבוהים במיוחד במיוחד משתמשים יותר מגנטים וסטים של אלקטרומגנטים במנועים אחרים חסרי מברשות בעלי יעילות גבוהה יותר, בהם ניתן לראות יותר מחיישן אפקט הול אחד ליישום חישה מרובה של מגנטים הרוטור כך שניתן יהיה להחליף סטים שונים של אלקטרומגנטים רצף נכון מועדף.

כיצד לשלוט על מנוע BLDC

עד כה הבנו את תפיסת העבודה הבסיסית של מנועי BLDC ולמדנו כיצד נעשה שימוש בחיישן הול להפעלת האלקטרומגנט של המנוע באמצעות מעגל אלקטרוני מחובר חיצוני לקיום תנועה סיבובית רציפה של הרוטור, בחלק הבא נלמד לבחון מחדש כיצד מעגל הנהג BLDC עובד בפועל לשליטה במנועי BLDC

השיטה ליישום אלקטרומגנט סטטור קבוע ורוטור מגנטי חופשי מסתובב מבטיחה יעילות משופרת למנועי BLDC בהשוואה למנועים המוברשים המסורתיים שיש להם טופולוגיה הפוכה בדיוק ולכן דורשים מברשות לפעולות המנוע. השימוש במברשות הופך את ההליכים ליעילים יחסית מבחינת אורך חיים ארוך, צריכה וגודל.

חסרונו של BLDC Motor

אמנם, סוגי BLDC עשויים להיות הרעיון המוטורי היעיל ביותר, אך יש לו חסרון משמעותי אחד שהוא דורש מעגל אלקטרוני חיצוני להפעלתו. עם זאת, עם כניסתם של מכשירי IC מודרניים וחיישני הול רגישים נראה כי נושא זה נראה די טריוויאלי בהשוואה לרמת היעילות הגבוהה הכרוכה במושג זה.

נהג BLDC 4 מגנטים העיצוב

במאמר הנוכחי אנו דנים במעגל בקרה פשוט ובסיסי עבור מנוע חיישן BLDC בעל ארבעה מגנטים, אולם יחיד. ניתן להבין את פעולת המנוע בהתייחס לתרשים מנגנון המנוע הבא:

התמונה לעיל מציגה סידור מנוע BLDC בסיסי ובו שתי קבוצות של מגנטים קבועים בפריפריה של רוטור חיצוני ושתי קבוצות של אלקטרומגנט מרכזי (A, B, C, D) כסטטור.

על מנת ליזום ולקיים מומנט סיבובי A, B או C, על אלקטרומגנטים D להיות במצב מופעל (לעולם לא ביחד) בהתאם למיקומי הקטבים הצפוניים / דרוםיים של מגנט הרוטור ביחס לאלקטרומגנטים המופעלים.

כיצד פועל מנהל ההתקן של BLDC

אם לדייק, נניח את המיקום המוצג בתרחיש לעיל עם A ו- B במצב מופעל כך שצד A מונע עם הקוטב הדרומי ואילו צד B מקבל אנרגיה עם הקוטב הצפוני.

פירוש הדבר שהצד A יפעיל אפקט משיכה על הקוטב הצפוני הכחול השמאלי שלו והשפעה דוחה על הקוטב הדרומי הימני של הסטטור, בדומה לצד B היה מושך את הקוטב הדרומי האדום התחתון ודוחה את הצפון העליון. מוט של הרוטור .... ניתן היה להניח כי התהליך כולו מפעיל תנועה מרשימה בכיוון השעון מעל מנגנון הרוטור.
בואו נניח גם שבמצב שלעיל חיישן ההול נמצא במצב מבוטל מכיוון שהוא עשוי להיות מכשיר חיישני הול המופעל על ידי הקוטב הדרומי.

האפקט שלעיל ינסה לכוון ולכפות את הרוטור כך שהדרום יינעל פנים אל פנים עם צד B ואילו הקוטב הצפוני עם צד A, אולם לפני שמצב זה מסוגל להתפתח חיישן ההול מובא בסמיכות ל העברה של הקוטב הדרומי העליון של הרוטור, וכאשר זה עובר רק על פני חיישן ההול הוא נאלץ להפעיל, לשלוח אות חיובי למעגל הבקרה המחובר אשר מגיב באופן מיידי ומכבה את האלקטרומגנטים A / B, ומפעיל את האלקטרומגנטים C / D, וודא שהרגע עם כיוון השעון של הרוטור שוב נאכף תוך שמירה על מומנט סיבובי עקבי על הרוטור.

מעגל נהג BLDC בסיסי

המיתוג המוסבר לעיל של האלקטרומגנטים בתגובה לאות ההפעלה של חיישן הול יכול להיות מיושם בפשטות באמצעות הרעיון הבא של מעגל בקרת BLDC.

המעגל אינו זקוק להסבר רב מכיוון שהוא בסיסי מדי, במצבי ההפעלה של חיישן הול, ה- BC547 וה- TIP122 המקושרים מופעלים בהתאמה, אשר בתורם מדליקים את הסטים המתאימים של אלקטרומגנטים המחוברים על פני האספן שלהם וחיובי. , במהלך תקופות הכיבוי של חיישן ה- Hall, הזוג BC547 / TIP122 מכובה, אך טרנזיסטור ה- TIP122 השמאלי הקיצוני מופעל ומפעיל את הסטים ההפוכים של אלקטרומגנט.

המצב מתחלף לסירוגין, באופן רציף כל עוד נשאר כוח מופעל תוך שמירה על BLDC מסתובב עם המומנטים והמומנטום הנדרשים.