شماره 8، جاده Duxiu San، شهر گانلین، شهر Shengzhou، شهر Shaoxing، استان ژجیانگ، چین
نحوه ساخت موتور BLDC شامل ساخت یک موتور جریان مستقیم بدون جاروبک از پنج زیرسیستم هسته است: یک استاتور با فازهای سیم پیچ مسی پیچیده، مجموعه روتور حاوی آهنرباهای دائمی، یک سیستم حسگر موقعیت (سنسورهای اثر هال یا تشخیص عقب-EMF)، یک کنترل کننده سرعت الکترونیکی سه فاز (ESC یا BLDC)، و یک مجموعه مکانیکی و محفظههای مکانیکی پشتیبانی میکنند. یک موتور BLDC کولر هوا یک موتور DC بدون جاروبک است که به طور خاص برای وظیفه فن خنک کننده هوای تبخیری انتخاب و پیکربندی شده است، جایی که الزامات طراحی اولیه عبارتند از مصرف برق کم (18 تا 55 وات) ، عملکرد بی صدا، راندمان بالا در سرعت های پایین تا متوسط فن و قابلیت اطمینان در عملکرد مداوم چند ساعته روزانه در شرایط مرطوب. یک موتور کولر خارجی BLDC هوا (همچنین موتور BLDC روتور بیرونی یا روتور خارجی نامیده می شود) از ساختاری استفاده می کند که در آن روتور آهنربای دائم به جای چرخش در داخل آن، به جای چرخش در داخل آن، به دور خارج از استاتور ثابت می چرخد، که معماری ایده آلی برای کاربردهای فن درایو مستقیم است، زیرا مجموعه تیغه فن مستقیماً روی لبه روتور با قطر بزرگ بدون نیاز به قلاب کردن یا بالا آمدن آن نصب می شود. این راهنمای کامل، تئوری مهندسی کامل، مراحل ساخت و ساز عملی، و معیارهای انتخاب خاص برنامه را برای هر سه موضوع پوشش می دهد.
درک کردن نحوه ساخت موتور BLDC با درک اینکه چرا موتور DC بدون جاروبک وجود دارد و تفاوت اساسی آن با موتورهای DC براشی که جایگزین شده است، شروع می شود. یک موتور DC برس خورده از برسهای کربن فیزیکی استفاده میکند که بر روی یک حلقه کموتاتور چرخان فشار میآورند تا جهت جریان در سیمپیچهای روتور را در حین چرخش موتور تغییر دهند. این مکانیسم کموتاسیون اصطکاک ایجاد می کند، گرما تولید می کند، نویز الکتریکی تولید می کند و در طول زمان با فرسایش برس های کربن و تحلیل رفتن سطح کموتاتور فرسوده می شود. یک موتور BLDC با قرار دادن آهنرباهای دائمی روی روتور و سیم پیچ ها روی استاتور و با استفاده از کلیدزنی الکترونیکی (کنترل کننده BLDC) برای تغییر جریان به جای تماس مکانیکی، هم برس ها و هم کموتاتور را از بین می برد.
نتیجه یک موتور با بدون سطوح تماس فرسوده ، راندمان به طور قابل توجهی بالاتر (معمولا 85 تا 95 درصد در مقابل 60 تا 85 درصد برای موتورهای براش )، نویز شنیداری بسیار کمتر، چگالی توان بالاتر (قدرت بیشتر به ازای هر کیلوگرم جرم موتور)، و عمر مفیدی که در هزاران ساعت به جای صدها ساعت اندازه گیری می شود. این مزایا توضیح میدهد که چرا موتورهای BLDC در کاربردهایی از هارد دیسکهای کامپیوتر و نیروی محرکه هواپیماهای بدون سرنشین گرفته تا ماشینهای لباسشویی و، برای این مقاله، فنهای خنککننده هوای خانگی و تجاری، جایگزین موتورهای برس شده شدهاند.
هسته ثابت حامل سیم پیچ های مسی. استاتور یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کند که جریان سه فاز به سیم پیچ های آن به ترتیب صحیح اعمال شود. لایه های استاتور از فولاد سیلیکونی ساخته شده اند تا تلفات جریان گردابی را به حداقل برسانند.
مجموعه دوار حامل آهنرباهای دائمی نئودیمیم یا فریت. روتور میدان مغناطیسی دوار تولید شده توسط استاتور را دنبال می کند و چرخش مکانیکی ایجاد می کند. در طراحی های روتور بیرونی روتور استاتور را احاطه می کند.
سه حسگر جلوه هال که با فاصله 120 درجه از هم قرار دارند، موقعیت آهنربای روتور را شناسایی کرده و به کنترل کننده گزارش می دهند. کنترلکننده از این دادههای موقعیت استفاده میکند تا فازهای سیمپیچ استاتور را بهطور متوالی فعال کند و چرخش صاف را حفظ کند.
کنترلکننده سرعت الکترونیکی سیگنالهای سنسور هال را میخواند و شش ماسفت قدرت را در یک مدار پل سهفاز برای اعمال ولتاژ به سیمپیچهای استاتور در ترتیب کموتاسیون صحیح هدایت میکند. کنترل PWM سرعت را تنظیم می کند.
مراحل زیر شرح می دهد نحوه ساخت موتور BLDC از اجزای اصلی، که هر دو پیکربندی روتور داخلی (سنتی) و روتور بیرونی را پوشش می دهد. پیکربندی روتور بیرونی به طور خاص دقیق است زیرا طراحی غالب برای آن است موتور BLDC کولر هوا و موتور کولر خارجی BLDC هوا برنامه های کاربردی
هنگام طراحی یا ساخت یک موتور BLDC از ابتدا، پارامترهای زیر باید محاسبه و در برابر یکدیگر متعادل شوند:
| پارامتر | محدوده معمولی | اثر افزایش | اثر کاهش |
|---|---|---|---|
| تعداد اسلات استاتور | 9، 12، 18، 24 | گشتاور نرم تر، گیرش کاهش می یابد | سیم پیچی ساده تر، گشتاور گیره ای بیشتر |
| تعداد قطب های روتور | 4، 8، 10، 14 | چگالی گشتاور بیشتر، حداکثر دور در دقیقه کمتر | حداکثر RPM بالاتر، چگالی گشتاور کمتر |
| چرخش سیم پیچ در هر سیم پیچ | 5 تا 80 دور | Kv بالاتر (سرعت بالاتر در همان ولتاژ) | Kv کمتر (گشتاور بیشتر، سرعت کمتر) |
| سیم سنج (قطر) | 0.3 میلی متر تا 1.5 میلی متر | مقاومت کمتر، ظرفیت جریان بالاتر | مقاومت بالاتر، گرمای بیشتر در جریان یکسان |
| شکاف هوا (روتور به استاتور) | 0.3 میلی متر تا 1.5 میلی متر | کاهش جفت مغناطیسی، راندمان پایین تر | جفت مغناطیسی بهتر، خطر تماس |
| درجه آهنربا | N35 تا N52 (NdFeB) | چگالی شار بالاتر، عملکرد بهتر | هزینه کمتر، کاهش مقاومت حرارتی |
| طول پشته (محوری) | 10 میلی متر تا 100 میلی متر | گشتاور و توان خروجی بالاتر | فشرده تر، سبک تر، قدرت کمتر |
Kv (ثابت سرعت) مهمترین مشخصات واحد برای مشخص کردن مشخصات سرعت و گشتاور موتور BLDC است. Kv به عنوان تعداد دور در دقیقه (RPM) تعریف می شود که موتور به ازای هر ولت اعمال شده به پایانه های موتور در هنگام کار بدون بار می چرخد. یک موتور با Kv از 500 RPM/V با 10 ولت (بدون بار) با 5000 دور در دقیقه کار می کند. یک موتور با Kv از 100 RPM/V تنها با 1000 دور در دقیقه در 10 ولت کار می کند اما به نسبت بیشتری گشتاور تولید می کند.
برای یک موتور BLDC کولر هوا که مستقیماً از منبع AC 230 ولت کار میکند (تقریباً به حداکثر 325 ولت DC اصلاح میشود، یا با یک منبع تغذیه به ولتاژ DC پایینتر تنظیم میشود)، Kv باید بهگونهای انتخاب شود که موتور با سرعت فن مورد نظر در ولتاژ موجود کار کند. سرعت فن 350 دور در دقیقه از منبع تغذیه 24 ولت DC تنظیم شده به Kv تقریباً نیاز دارد. 350 تقسیم بر 24 یا تقریباً 15 RPM/V ، که با استفاده از پیچ های سیم پیچ بیشتر حاصل می شود و مشخصه موتورهای فن روتور بیرونی با گشتاور بالا و سرعت کم است.
را موتور BLDC کولر هوا نشاندهنده ارتقای فنآوری قابل توجهی از موتورهای القایی تک فاز با خازن است که برای دههها بر بازار کولرهای هوای تبخیری مسکونی و تجاری تسلط داشت. درک اینکه چرا این انتقال اتفاق می افتد، مستلزم مقایسه این دو فناوری در هر بعد عملکرد مرتبط است.
را energy savings from replacing a conventional induction motor with an Air Cooler BLDC motor are substantial and produce meaningful reductions in electricity bills over the motor's operating life. A typical calculation:
در بازارهایی با تعرفههای بالاتر برق (اروپا، بریتانیا، بخشهایی از آسیا) یا در کاربردهای تجاری با بسیاری از کولرهای هوا که ساعات بیشتری کار میکنند، وضعیت اقتصادی موتور BLDC کولر هوا قویتر است. یک طبقه کارخانه با 20 کولر هوا که 16 ساعت در روز کار می کند تقریباً صرفه جویی می کند 4320 کیلووات ساعت در هر فصل از همان ارتقاء فناوری، نشان دهنده کاهش قابل توجه هزینه عملیاتی است.
واحدهای موتور کولر هوای BLDC برای کولرهای هوای مسکونی در دو پیکربندی الکتریکی اصلی موجود هستند:
را External BLDC Air Cooler Motor (outer-rotor or external-rotor BLDC motor) is the optimal motor architecture for direct-drive fan applications, and its adoption in the air cooler industry represents not just an energy efficiency improvement but a fundamental mechanical simplification. In an outer-rotor design, the permanent magnet rotor is a bell-shaped or cup-shaped assembly that rotates around the outside of the stationary stator. The fan blades are attached directly to the outer face of the rotor bell, converting the motor and fan into a single integrated rotating assembly.
را outer rotor's large diameter provides a large moment of inertia and a large torque arm for the fan blade attachment points. This allows the fan to be driven with lower force (torque) at the blade roots, reducing mechanical stress on the mounting interface.
فن های کولر هوا در 200 تا 800 دور در دقیقه که به خوبی در محدوده سرعت خروجی مستقیم موتور BLDC روتور بیرونی قرار دارد. نیازی به گیربکس کاهش سرعت نیست، صدای دنده، تلفات راندمان دنده (معمولاً 2 تا 8 درصد) و نقطه شکست مکانیکی را حذف می کند.
را rotating outer shell of the motor acts as a centrifugal fan in itself, drawing air through the stator from the open end and exhausting it radially. This self-generated airflow provides continuous cooling of the stator windings without any additional cooling provisions.
را outer-rotor motor has a relatively short axial (length) dimension relative to its diameter. For an air cooler fan, where the motor must fit within the depth of the fan shroud without protruding excessively, this pancake-like form factor is ideal.
ساخت موتور کولر هوای خارجی BLDC از اجزای سازنده، از چند جهت مهم با ساختار روتور داخلی متفاوت است. جزئیات زیر تفاوت ها و چالش های خاص ساخت روتور بیرونی را پوشش می دهد:
مشخصات موتور کولر هوای خارجی BLDC در درجه اول با ظرفیت جریان هوای کولر هوا مطابقت دارد که بر حسب متر مکعب در ساعت (m3/h) یا فوت مکعب در دقیقه (CFM) اندازه گیری می شود. جدول زیر مشخصات موتور معمولی برای اندازه های مختلف کولر را نشان می دهد:
| نوع کولر | جریان هوا (m3/h) | قدرت موتور | محدوده سرعت | روتور Diameter | ولتاژ تغذیه |
|---|---|---|---|---|---|
| خنک کننده دسکتاپ شخصی | 150 تا 300 متر مکعب در ساعت | 12 تا 18 وات | 600 تا 1200 دور در دقیقه | 80 تا 120 میلی متر | 12 ولت یا 24 ولت DC |
| کولر اتاق کوچک (20 تا 40 متر مربع) | 1000 تا 2000 متر مکعب در ساعت | 18 تا 30 وات | 350 تا 900 دور در دقیقه | 150 تا 200 میلی متر | 230 ولت AC یا 24 ولت DC |
| کولر اتاق متوسط (40 تا 80 متر مربع) | 3000 تا 5000 متر مکعب در ساعت | 30 تا 50 وات | 300 تا 750 دور در دقیقه | 200 تا 280 میلی متر | 230 ولت AC یا 48 ولت DC |
| کولر تجاری/صنعتی | 8000 تا 20000 متر مکعب در ساعت | 100 تا 250 وات | 200 تا 500 دور در دقیقه | 350 تا 500 میلی متر | 230 ولت یا 415 ولت متناوب |
هیچ بحثی در مورد چگونگی ساخت یک سیستم موتور BLDC بدون آدرس دادن به کنترل کننده کامل نمی شود، زیرا یک موتور BLDC بدون مدار کموتاسیون الکترونیکی خود نمی تواند کار کند. موتور و کنترلر به هم وابسته هستند: عملکرد موتور در سرویس کاملاً با کیفیت، پیچیدگی و تطابق کنترلر با موتور تعیین می شود.
را standard BLDC motor controller operates on six-step (or trapezoidal) commutation. At any moment during motor operation, two of the three phase windings are energised and the third is left floating. The six-step sequence works as follows:
این دنباله شش مرحله ای با سرعتی برابر با فرکانس الکتریکی موتور تکرار می شود. یک موتور با 8 قطب (4 جفت قطب) که با سرعت 750 دور در دقیقه می چرخد دارای فرکانس الکتریکی 750 دور در دقیقه x 4 جفت تقسیم بر 60 ثانیه است. 50 هرتز . کنترل کننده حالت های کموتاسیون را در سوئیچ می کند 6 برابر این فرکانس یا 300 بار در ثانیه ، که میکروکنترلر داخل درایور BLDC به راحتی آن را کنترل می کند.
برای کاربردهای خنککننده هوا که در آن عملکرد بیصدا اولویت بالایی دارد، کموتاسیون سینوسی (کنترل میدانگرا، FOC) پیشرفت قابلتوجهی را نسبت به کموتاسیون شش مرحلهای پایه ایجاد میکند. به جای تغییر ناگهانی بین ترکیب فازهای گسسته، کنترل سینوسی جریان های موج سینوسی را به طور همزمان در هر سه فاز اعمال می کند و یک میدان مغناطیسی دائما در حال چرخش به جای یک میدان پلکانی تولید می کند. نتیجه کاهش چشمگیر ریپل گشتاور و صدای موتور است.
یک کنترلکننده موتور BLDC کولر هوای ممتاز که کنترل FOC سینوسی را اجرا میکند، معمولاً صدای موتور شنیداری را کاهش میدهد. 5 تا 15 دسی بل (A) در مقایسه با یک کنترلکننده شش مرحلهای که همان موتور را هدایت میکند، که با توجه به اینکه کاهش 10 دسیبل تقریباً به اندازه نصف صدای بلند در نظر گرفته میشود، تفاوت بسیار مهمی است. برای کولرهای هوای اتاق خواب یا کولرهای اداری که حساسیت به نویز در آنها بالاتر است، یک کنترلر سینوسی به شدت توصیه می شود حتی اگر هزینه آن تا حدودی بیشتر از یک درایور ساده شش مرحله ای باشد.
چه سازنده تجهیزات اصلی کولر هوا (OEM) باشید که موتورها را برای خط محصول جدید مشخص میکند یا کاربر نهایی که یک کولر بادی موجود را با موتور کولر خارجی BLDC برای کاهش مصرف انرژی بازسازی میکند، راهنمایی عملی زیر ملاحظات کلیدی انتخاب و نصب را پوشش میدهد.
را motor power must be sufficient to drive the fan at the required airflow against the system's static pressure resistance (the resistance of the wet pads, ductwork, and other airflow restrictions). For a residential evaporative air cooler, the typical total system resistance is 5 تا 20 پاسکال و فن باید ضمن ارائه جریان هوای مورد نیاز بر این مقاومت غلبه کند.
به عنوان یک راهنمای عملی اندازه: برای هر 1000 متر مکعب در ساعت جریان هوای مورد نیاز در برابر فشار استاتیکی کل 10 پاسکال، موتور تقریباً نیاز دارد. توان شفت 5 تا 8 وات . تقسیم بر بازده موتور (معمولاً 85 تا 90 درصد برای یک موتور BLDC با کیفیت) توان ورودی الکتریکی مورد نیاز را به دست میدهد. یک کولر 3000 متر مکعبی در ساعت در برابر 15 پاسکال تقریباً به 45 تا 72 وات توان شفت نیاز دارد که به این معنی است که موتور BLDC 50 تا 80 وات هنگام محاسبه راندمان موتور مناسب است.
هنگامی که یک کولر هوای موجود را با موتور کولر خارجی BLDC تعبیه میکنید، قبل از سفارش موتور جایگزین، موارد زیر را بررسی کنید: