موتور BLDC چیست؟ چگونه کار می کند، مزایای کلیدی، و نکات انتخاب

یک کولر تبخیری صنعتی که در یک شیفت کامل تولید کار می کند، به موتوری نیاز دارد که خنک بماند، گشتاور خود را حفظ کند و نیازی به تعمیر و نگهداری هفتگی نداشته باشد. اینجاست که موتور DC بدون جاروبک یا موتور BLDC به انتخاب استاندارد تبدیل شده است. پاسخ کوتاه این است که یک موتور BLDC یک موتور الکتریکی سنکرون است که با جریان مستقیم تغذیه می‌شود و چرخش آن به‌جای برس‌های مکانیکی توسط کموتاسیون الکترونیکی ایجاد می‌شود. بر خلاف موتورهای DC برس خورده سنتی، طراحی BLDC تماس فیزیکی بین قطعات ثابت و دوار را که باعث سایش، نویز الکتریکی و کاهش کارایی می‌شود، حذف می‌کند.

موتور BLDC چیست؟

موتور الکتریکی DC بدون جاروبک موتوری است که از منبع جریان مستقیم استفاده می‌کند، اما سیگنال‌های سوئیچینگ خود را از یک کنترل‌کننده الکترونیکی دریافت می‌کند تا از مجموعه برس و کموتاتور. روتور دارای آهنرباهای دائمی است، در حالی که استاتور حاوی سیم پیچ است. از آنجایی که آهنرباها می چرخند و سیم پیچ ها ثابت می مانند، نیازی به برس برای انتقال جریان به روتور متحرک نیست. این ترتیب مخالف در موتورهای برس دار معمولی است، جایی که سیم پیچ ها می چرخند و برس های ثابت جریان را از طریق یک کموتاتور تامین می کنند.

موتورهای BLDC اغلب در صنعت گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) موتورهای کموتاسیون الکترونیکی نامیده می شوند. در این زمینه، این اصطلاح موتوری را توصیف می کند که دارای یک برد کنترل الکترونیکی یکپارچه است، اما اصل اساسی یکسان است. کنترل کننده فازهای استاتور را به ترتیبی که موقعیت روتور را دنبال می کند انرژی می دهد و یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کند که روتور آهنربای دائمی را به همراه خود می کشد.

از آنجایی که یک موتور BLDC یک ماشین سنکرون است، روتور آن با همان سرعت میدان استاتور می چرخد. این سرعت توسط فرکانس سیگنال های سوئیچینگ تعیین می شود، نه با ولتاژ اعمال شده. هنگامی که آن را با یک موتور جهانی یا یک موتور DC برس خورده مقایسه می کنید، این یک تمایز مهم است، که در آن سرعت به طور مستقیم به ولتاژ اعمال شده مرتبط است.

موتور BLDC چگونه کار می کند

عملکرد یک موتور BLDC به سه عنصر اساسی بستگی دارد: یک سیم پیچ استاتور سه فاز، یک روتور با آهنربای دائمی، و یک کنترل کننده الکترونیکی که موقعیت روتور را می شناسد. کنترلر ممکن است از سنسورهای اثر هال نصب شده بر روی استاتور استفاده کند، یا ممکن است از روش‌های بدون حسگر استفاده کند که موقعیت را از پشت EMF تخمین می‌زند. در بسیاری از موتورهای BLDC صنعتی، سنسورهای هال ترجیح داده می شوند زیرا گشتاور راه اندازی قابل اعتماد و عملکرد قوی در سرعت کم را ارائه می دهند.

توالی کموتاسیون معمولاً برای یک موتور سه فاز شش مرحله ای است. در هر لحظه، دو فاز از سه فاز انرژی می گیرند، در حالی که فاز سوم شناور است. کنترل کننده جفت فازها را به ترتیب ثابت سوئیچ می کند. این یک میدان استاتور در حال چرخش ایجاد می کند. آهنرباهای دائمی روی روتور سعی می کنند با آن میدان هماهنگ شوند و نیروی جاذبه مغناطیسی حاصل، گشتاور تولید می کند. همانطور که روتور حرکت می کند، کنترل کننده دوباره فازهای پر انرژی را تغییر می دهد، بنابراین میدان جلوتر از روتور می ماند و به جلو کشیدن آن ادامه می دهد.

کنترل کننده سرعت الکترونیکی (ESC) همچنین امکان تنظیم دقیق سرعت و گشتاور را فراهم می کند. این می تواند جریان را تنظیم کند، شتاب را محدود کند و حتی کنترل میدان گرا را برای عملکرد نرم تر و راندمان بالاتر پیاده سازی کند. از آنجایی که کنترلر می تواند الگوی سوئیچینگ را به طور مداوم تنظیم کند، یک موتور BLDC می تواند راندمان بالایی را در محدوده وسیعی از سرعت حفظ کند. به همین دلیل است که موتورهای BLDC در فن‌های با سرعت متغیر، پمپ‌ها، کمپرسورها و سایر تجهیزاتی که شرایط بار تغییر می‌کند، رایج هستند.

برای کاربرد فن یا خنک کننده هوا، موتور BLDC ساختار مکانیکی ساده تری را نیز ارائه می دهد. از آنجایی که روتور در ساختارهای خاص خارجی است، تیغه های فن را می توان مستقیماً روی پوسته بیرونی نصب کرد. که نیاز به تسمه یا قرقره را از بین می برد و حتی می تواند طول محوری دستگاه را کوتاه کند. این رویکرد درایو مستقیم تلفات مکانیکی را کاهش می دهد و هزینه کل مالکیت را برای سازنده تجهیزات کاهش می دهد.

BLDC در مقابل موتورهای DC Brushed

انتخاب بین یک موتور DC برس خورده و یک موتور BLDC معمولاً مبادله ای بین هزینه اولیه و عملکرد طولانی مدت است. برای اتخاذ این تصمیم، قرار دادن هر دو ساختار در کنار هم کمک می کند.

برای سازنده ای که تجهیزاتی را می سازد که به مشتریان صنعتی فروخته می شود، طول عمر بیشتر و بار تعمیر و نگهداری کمتر موتور BLDC اغلب تفاوت قیمت اولیه را توجیه می کند. شکاف هزینه در سال های اخیر به میزان قابل توجهی کاهش یافته است زیرا کنترلرهای یکپارچه و بسته های حسگر اکنون با قیمت های بسیار پایین تری به تولید انبوه می رسند.

اجزای اصلی یک موتور BLDC

هنگامی که یک موتور BLDC را باز می کنید، مجموعه محدودی از قطعات را پیدا خواهید کرد، اما کیفیت هر یک از آنها برای قابلیت اطمینان اهمیت دارد. یک موتور BLDC معمولی شامل موارد زیر است.

• مجموعه استاتور با پشته لمینیت، سیم پیچی مسی و محفظه ای که به عنوان هیت سینک نیز عمل می کند.
• مجموعه روتور با آهنرباهای دائمی ساخته شده از فریت یا مواد خاکی کمیاب، نصب شده بر روی شفت یا پوسته دوار.
• سنسورهایی مانند عناصر هال یا آی سی های جلوه هال یا مدار بازخورد بدون حسگر که EMF را می خواند قرار دهید.
• برد کنترل الکترونیکی با ماسفت های برقی، درایورهای گیت، میکروکنترلر و خازن باس DC.
• بلبرینگ‌ها و آب‌بندهایی که روتور را پشتیبانی می‌کنند و فضای داخلی را از گرد و غبار و رطوبت محافظت می‌کنند.

در موتور روتور خارجی، آهنرباها به داخل یک سیلندر دوار متصل می شوند. استاتور در مرکز باقی می ماند. این ساختار در موتورهای فن رایج است زیرا سیلندر بیرونی را می توان مستقیماً با پره ها یا پروانه فن نصب کرد. طراحی روتور خارجی همچنین سطح وسیعی را برای اتلاف گرما فراهم می کند و می تواند گشتاور بالایی را در سرعت کم بدون گیربکس ارائه دهد.

کاربردهای رایج موتورهای BLDC

موتورهای BLDC را می توان در طیف وسیعی از محصولات، از فن های کوچک کامپیوتر گرفته تا درایوهای صنعتی بزرگ، یافت. اولویت جهانی برای این فناوری ناشی از کارایی، کنترل پذیری و عملکرد بی صدا است. برخی از متداول ترین دسته های برنامه عبارتند از:

• لوازم خانگی مانند ماشین لباسشویی، کمپرسور یخچال و خشک کن، که در آنها سرعت متغیر و صرفه جویی در انرژی مهم است.
• تجهیزات گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع، از جمله فن های کندانسور، کولرهای هوای تبخیری، و اگزوز فن های صنعتی.
• ابزارهای برقی بی سیم، که در آن چگالی توان بالا و اندازه کوچک امکان کار با دست را فراهم می کند.
• وسایل نقلیه الکتریکی و دوچرخه های الکترونیکی که برای گشتاور صاف و فشرده بودن به موتورهای BLDC متکی هستند.
• ماشین آلات صنعتی از جمله پمپ ها، درایوهای نوار نقاله و سیستم های اتوماسیون که به کنترل دقیق سرعت نیاز دارند.

در بخش فن های صنعتی، طیف موتورهای BLDC هم فن های EC کم مصرف و هم دستگاه های سه فاز پرقدرت را پوشش می دهد. به عنوان مثال، یک موتور خنک کننده هوای خارجی BLDC با توان 600 وات می تواند یک پروانه بزرگ را در یک واحد خنک کننده تبخیری به حرکت درآورد، در حالی که یک نسخه 1500 وات ممکن است به یک هواگیر صنعتی بزرگتر خدمت کند.

موتور BLDC روتور خارجی 220 ولت 600 وات برای کولرهای هوای صنعتی این موتور پروانه های کولر هوای بزرگ را مستقیماً با توان 600 وات و منبع تغذیه 220 ولت به حرکت در می آورد و قابلیت اطمینان بدون جاروبک، گشتاور بالا و حفاظت را برای محیط های صنعتی خشن ارائه می دهد. مشاهده محصول →

انتخاب یک موتور BLDC برای برنامه شما

انتخاب موتور BLDC بیشتر از انتخاب موتوری است که بالاترین راندمان را دارد. شما باید موتور را با بار مکانیکی، منبع تغذیه موجود و شرایط محیطی مطابقت دهید. با نیازهای واقعی گشتاور و سرعت تجهیزات شروع کنید. پنکه ای که باید 3000 متر مکعب در ساعت در برابر فشار ساکن 50 Pa حرکت کند، به سرعت و قطر پروانه مشخصی نیاز دارد. که نیاز به قدرت موتور را تعیین می کند. هنگامی که توان الکتریکی و مکانیکی مورد نیاز را دارید، می توانید ولتاژ ورودی، درجه جریان و فرکانس سوئیچینگ کنترلر را محاسبه کنید.

حاشیه ولتاژ نیز حیاتی است. اگر موتور شما برای ورودی 220 ولت AC رتبه بندی شده است، باید تغییرات ولتاژ خط واقعی را در منطقه خود در نظر بگیرید. موتور 220 ولتی که منبع تغذیه 240 ولتی را مشاهده می کند ممکن است داغ تر باشد و موتوری که 200 ولت را ببیند ممکن است به سرعت نامی خود نرسد. برای سیستم های سه فاز، هم سطح ولتاژ و هم فرکانس منبع تغذیه اهمیت دارد. در یک موتور BLDC، فرکانس ناشی از کنترل کننده سرعت را کنترل می کند، اما ولتاژ تغذیه اصلی باید در پنجره عملیاتی کنترلر باقی بماند.

دمای محیط عامل دیگری است که اغلب دست کم گرفته می شود. موتور نصب شده در یک محفظه کوچک یا روی سقف یک کارخانه ممکن است با هوای محیط 45 درجه سانتیگراد روبرو شود. کلاس عایق موتور و درجه گریس یاتاقان هر دو باید برای کنترل دمای مداوم انتخاب شوند. در غیر این صورت، یک موتور BLDC کاملاً خوب می تواند پس از چند فصل عمر مفید خود را از دست بدهد.

برای تجهیزات خنک کننده هوا، معماری روتور خارجی BLDC یک تناسب طبیعی را ارائه می دهد. روتور بیرونی می تواند پره های فن را مستقیما حمل کند و موتور را می توان در جریان هوا نصب کرد تا از اثر خنک کننده بهره مند شود. سازنده همچنان باید رتبه IP موتور را تأیید کند. اگر موتور در معرض اسپری آب یا گرد و غبار قرار گیرد، یک محفظه IP55 یا بالاتر توصیه می شود. رتبه IP پایین ممکن است برای برنامه های داخلی قابل قبول باشد، اما برای تجهیزات کشاورزی یا فضای باز خطری است.

موتور کولر هوا 220 ولت 650 وات روتور خارجی BLDC با IP55 یک موتور براشلس 650 وات با حفاظت IP55 و عایق کلاس F، طراحی شده برای کار مداوم در برنامه های خنک کننده گرد و غبار یا مرطوب، که از کنترل سرعت بدون پله پشتیبانی می کند. مشاهده محصول →

یکی دیگر از معیارهای کلیدی انتخاب، منحنی گشتاور-سرعت در بار فن است. فن یک بار با گشتاور متغیر است: گشتاور مورد نیاز تقریباً با مجذور سرعت افزایش می یابد. یک موتور BLDC که با در نظر گرفتن منحنی فن طراحی شده است، می‌تواند گشتاور راه‌اندازی کافی برای چرخاندن پروانه از حالت سکون ایجاد کند، در حالی که همچنان راندمان بالایی را در نقطه طراحی حفظ می‌کند. اگر از یک موتور BLDC با مشخصه گشتاور-سرعت اشتباه استفاده می کنید، ممکن است موتور در هنگام راه اندازی متوقف شود یا در سرعت بالا دچار جریان اضافه ثابت شود.

پس از محدود کردن خانواده موتورها، فرآیند خرید عملی شامل بررسی نمونه‌ها، اندازه‌گیری توان ورودی واقعی، بررسی دمای سیم‌پیچ تحت بار و ارزیابی سطح نویز است. مورد دوم اغلب توسط طراحان تجهیزات نادیده گرفته می شود، اما در کاربرد فن، نویز الکترومغناطیسی موتور را می توان توسط پروانه و کانال تقویت کرد. یک موتور BLDC با گشتاور دندانه دار کم و یک کنترلر تنظیم شده می تواند صدای قابل شنیدن را زیر 65 دسی بل (A) نگه دارد، که اغلب هدفی برای کاربردهای صنعتی داخلی است.

موتور BLDC روتور خارجی 220 ولت 1500 وات برای تهویه سنگین این موتور پرقدرت 1500 وات مناسب کولرهای صنعتی بزرگ و سیستم‌های تهویه است که دارای سیم‌پیچ‌های مسی خالص، رتبه IP54 و عملکرد بی‌صدا برای تنظیمات سخت است. مشاهده محصول →

چه چیزی را با تامین کننده موتور BLDC خود تأیید کنید

هنگامی که با یک سازنده موتور کار می کنید، یک برگه مشخصات واضح اولین خط دفاع شما است. در سند باید توان نامی در سرعت مشخص، جریان نامی، جریان خط بدون بار، کلاس عایق، مقاومت سیم پیچ، گشتاور ثابت و محدوده جریان مجاز ذکر شود. اگر یک تامین کننده نتواند این مقادیر را ارائه دهد، تأیید اینکه آیا موتور از عملکرد طولانی مدت در تجهیزات شما دوام می آورد یا خیر بسیار دشوار می شود.

همچنین عاقلانه است که در مورد سیستم کیفیت مورد استفاده در کارخانه سوال کنید. فرآیند گواهی ISO 9001 یک خط پایه مفید است، اما می‌توانید با درخواست سوابق آزمایش درون خطی، مانند اندازه‌گیری جریان بدون بار و ولتاژ برای هر لات تولید، بیشتر پیش بروید. برای کاربردهای حیاتی، یک آزمایش الکتریکی اضافی در ولتاژ بالا یا یک تست در حال اجرا تحت بار کامل می تواند نقص های تولید را آشکار کند.

یک تامین کننده با خط تولید مشخصی از محصولات برای کاربردهای خاص، مانند کولرهای هوای تبخیری و فن های صنعتی، اغلب می تواند موتور موجود را از طریق تغییرات ساده مانند ابعاد شفت، سرنخ های ترمینال یا یک کنترل کننده یکپارچه با نیاز شما تطبیق دهد. این رویکرد سفارشی باعث صرفه جویی در زمان توسعه و کاهش خطر استفاده از موتورهای عمومی می شود که هرگز برای بار فن در نظر گرفته نشده است. از این نظر، موتورهای طراحی شده برای تجهیزات خنک کننده هوا به سادگی بسته بندی متفاوتی ندارند. آنها به طور الکتریکی به همان کلاس بار تنظیم می شوند.

چرا موتورهای BLDC در خنک کننده صنعتی اهمیت دارند؟

تجهیزات خنک کننده صنعتی در بسیاری از بازارها به محل آزمایش مقررات مربوط به بهره وری انرژی تبدیل شده است. اپراتورها اکنون انتظار دارند که فن ها و خنک کننده ها به جای کارکردن با سرعت ثابت به شرایط بار متغیر پاسخ دهند. یک موتور BLDC می تواند وقتی دمای بیرون کاهش می یابد گاز می گیرد و در صورت افزایش شدید دما می تواند افزایش یابد. این قابلیت سرعت متغیر دلیل اصلی تغییر کاربردهای تهویه مطبوع صنعتی و فن صنعتی به فناوری BLDC است.

یکی دیگر از مزایای عملی ساخت صاف و بدون برس است. از آنجایی که هیچ برس برای فرسوده شدن وجود ندارد، یک موتور BLDC می تواند ده ها هزار ساعت بدون نیاز به تعویض برنامه ریزی شده کار کند. این امر باعث کاهش تماس های خدمات و هزینه های قطعات می شود که یک مزیت تعیین کننده برای ناوگان خنک کننده های نصب شده در چندین سایت تولید است.

نویز الکتریکی کمتری که توسط یک موتور BLDC تولید می‌شود، عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی حساسی را که ممکن است در نزدیکی آن قرار گیرند، بهبود می‌بخشد. و عدم وجود قوس باعث می شود موتور در محیط هایی که گرد و غبار یا بخار قابل احتراق وجود دارد ایمن تر شود. اینها فقط مزایای نظری نیستند: آنها به صرفه جویی ملموس در طول عمر تجهیزات تبدیل می شوند.

اگر در حال حاضر در حال طراحی یک خنک کننده هوای تبخیری با موتور ناهمزمان تک سرعته هستید، بررسی امکان جابجایی به یک راه حل BLDC این نیست که آیا این فناوری بالغ است یا خیر. در حال حاضر بالغ است. تصمیم در مورد این است که آیا صرفه جویی در انرژی، تعمیر و نگهداری کمتر و عمر طولانی تر می تواند قیمت اولیه بالاتر قطعات را جبران کند یا خیر. در اکثر کاربردهای صنعتی، پاسخ مثبت است.

نتیجه گیری

موتور BLDC یک موتور سنکرون جریان مستقیم با کموتاسیون الکترونیکی است. برس و کموتاتور یک موتور DC معمولی را با یک کنترلر و سنسورهای موقعیت جایگزین می‌کند و به آن راندمان بالاتر، عمر طولانی‌تر و عملکرد آرام‌تر می‌دهد. در حالی که قیمت خرید اولیه بالاتر است، مزایای عملیاتی برای تجهیزاتی که به طور مداوم کار می کنند قابل توجه است. برای فن ها، خنک کننده ها و سیستم های تهویه صنعتی، موتور BLDC روتور خارجی یک راه اثبات شده برای دستیابی به کنترل سرعت متغیر و تعمیر و نگهداری کم است.

هنگامی که یک موتور BLDC را انتخاب می کنید، روی توان مورد نیاز، محدوده سرعت، ولتاژ، دمای محیط و حفاظت از محیط زیست تمرکز کنید. مشخصات واضح را از تامین کننده خود درخواست کنید، یک آزمایش نمونه را اجرا کنید و دما و جریان موتور را تحت بار واقعی بررسی کنید. این فرآیند از کیفیت محصول نهایی شما محافظت می کند و از خرابی های گران قیمت جلوگیری می کند. یک موتور BLDC که به خوبی انتخاب شده باشد معمولاً ظرف چند سال از طریق صرفه جویی در انرژی و کاهش خدمات هزینه خود را پرداخت می کند.

عملی کردن معیارهای انتخاب

برای نشان دادن جزئیات، اجازه دهید یک سازنده کولر هوای تبخیری را در نظر بگیریم که باید موتور ناهمزمان قدیمی 750 وات را جایگزین کند. موتور BLDC جدید باید از یک منبع تغذیه تک فاز 220 ولت کار کند و جریان هوای مشابهی را با سرعت نامی ارائه دهد. طراحی روتور خارجی به این دلیل انتخاب می شود که ارتفاع مجموعه فن را کاهش می دهد و به تیغه های فن اجازه می دهد تا مستقیماً روی پوسته روتور سوار شوند. موتور انتخاب شده باید بتواند در برابر اینرسی کامل پروانه راه اندازی شود و همچنان سرعت ثابتی با تغییرات ولتاژ خط 5% داشته باشد.

در چنین سناریویی، یک موتور 650 وات یا 700 وات BLDC ممکن است زمانی که بتوان سرعت را کمی افزایش داد، کافی باشد، زیرا چگالی گشتاور موتور بیشتر از ماشین ناهمزمان قدیمی است. سپس مشتری می‌تواند توان ورودی را در نقطه طراحی مقایسه کند: اگر واحد BLDC 10٪ توان الکتریکی کمتری را در جریان هوای یکسان مصرف کند، صرفه‌جویی در انرژی در تأسیساتی با صدها واحد خنک‌کننده می‌تواند زیاد باشد.

نکته کاربردی دیگر کنترل پذیری است. برخی از موتورهای BLDC دارای ورودی سرعت آنالوگ از 0 تا 10 ولت هستند، در حالی که برخی دیگر دارای ورودی PWM یا رابط MODBUS RTU هستند. انتخاب بستگی به سیستم کنترل موجود دارد. یک کلید دمای ساده ممکن است به بیش از یک سیگنال روشن/خاموش نیاز نداشته باشد، اما یک سیستم مدیریت خودکار ساختمان از موتوری بهره می‌برد که می‌تواند جریان و سرعت واقعی را گزارش کند. این ویژگی به طور فزاینده ای در تهویه مطبوع صنعتی و تاسیسات فن صنعتی مورد انتظار است.

در نهایت، به یاد داشته باشید که خود موتور BLDC فقط به خوبی کنترل کننده ای است که آن را به حرکت در می آورد. یک کنترل کننده با طراحی حرارتی ضعیف یا عملکردهای حفاظتی ناکافی می تواند باعث از کار افتادن پیش از موعد موتور شود. به دنبال تولید کننده موتوری باشید که یک کنترلر منطبق را نیز ارائه می دهد یا حداقل، یکی را که می تواند کنترل کننده ای با ویژگی های عملیاتی تأیید شده را توصیه کند. این پیش ادغام کار مهندسی مورد نیاز در مرحله طراحی شما را کاهش می دهد.