Kuinka harjattomat DC (BLDC) -moottorit toimivat

Postaus kuvaa yksityiskohtaisesti harjattomien tasavirtamoottoreiden, joita kutsutaan myös BLDC-moottoreiksi, peruskäsitteen.

Ero harjattujen ja harjattomien tasavirtamoottoreiden välillä

Perinteisissä harjattuissa moottoreissamme käytetään harjoja vaihtamaan keskellä liikkuvaa roottoria suhteessa ympäröivään paperitavaran kestomagneettistaattoriin.

Harjat ovat välttämättömiä, koska roottori on valmistettu sähkömagneeteista, jotka tarvitsevat virtaa toimiakseen, mutta koska sen on myös pyöritettävä, asiat muuttuvat kömpelöiksi ja harjoista tulee ainoa vaihtoehto virran syöttämiseksi pyörivälle sähkömagneettiselle roottorille.

Päinvastoin, harjattomissa tasavirtamoottoreissa tai BLDC-moottoreissa meillä on paperitavaran keskustaattori ja ympäröivä pyöreä roottori. Staattori koostuu joukosta sähkömagneetteja, kun taas roottorissa on pysyviä magneetteja, jotka on kiinnitetty kehän yli tietyissä lasketuissa paikoissa.

Hall-efektiantureiden käyttö

Mekanismissa on myös Hall-efektianturi, joka on asennettu tunnistamaan roottorin ja sen magneettien sijainti staattorin sähkömagneettiin nähden ja tiedottamaan tiedot ulkoiselle kytkentäpiirille, joka sitten vastaa sähkömagneettien aktivoinnista / deaktivoinnista oikea järjestys tai ajoitus, mikä vaikuttaa roottorin pyörimisliikkeeseen.

Yllä oleva selitys voidaan ymmärtää seuraavan peruskuvan avulla ja sitten yksityiskohtaisen mallin avulla seuraavissa kuvissa.

Olemme oppineet ja tiedämme muutamia mielenkiintoisia asioita magneeteista ja näiden laitteiden vuorovaikutuksesta.

Tiedämme, että magneetin pohjoisnapa houkuttelee toisen magneetin etelänavaa, samalla tavalla kuin pylväät hylkivät.

Pysyvien magneettien sijainti

Yllä olevassa kaaviossa näemme levyn, jonka reunassa on upotettu magneetti (esitetty punaisella värillä), joka on sijoitettu pohjoisnapaan ulospäin, ja myös sähkömagneetti, joka on sijoitettu samansuuntaisesti levyn pyöreän reunan läheisyyteen ja joka tuottaa levyn etelän magneettikenttä jännitteellä.

Oletetaan, että järjestely on sijoitettu ensimmäisen ylemmän kaavion mukaisesti sähkömagneetin ollessa deaktivoidussa tilassa.

Tässä asennossa heti kun sähkömagneetti aktivoidaan sopivalla DC-tulolla, se saavuttaa ja muodostaa eteläisen magneettikentän, joka vaikuttaa levymagneetin yli vetävään voimaan, mikä puolestaan ​​pakottaa levyn pyörimään jonkin verran vääntöä, kunnes sen kestomagneetti on linjassa sähkömagneetit vastakkaiset vuon linjat.

Yllä oleva toimenpide näyttää BLDC-konseptin perusmuodon.

Kuinka BLDC-moottori toimii Hall Effect -antureiden kanssa

Katsotaan nyt, kuinka yllä oleva konsepti toteutetaan Hall-antureilla jatkuvan liikkeen ylläpitämiseksi roottorin yli.

Seuraava esimerkkikaavio selittää mekanismin kattavasti:

Yllä olevassa kaaviossa näemme periaatteessa suoraviivaisen BLDC-roottori / staattorijärjestelyn, jossa ulompi pyöreä elementti on pyörivä roottori, kun taas keskimmäisestä sähkömagneetista tulee kiinteä staattori.

Roottorissa voitiin nähdä, että kehälle on kiinnitetty pari pysyvää magneettia, joilla on etelänapa virtauksen vaikuttavina viivoina, keskustaattori on vahva sähkömagneetti, joka on suunniteltu tuottamaan ekvivalentti pohjoisnavan magneettivuon voimakkuus, kun se kytketään päälle ulkoinen DC.

Voimme myös visualisoida hallianturin, joka sijaitsee lähellä roottorin sisäkehän yhtä kulmaa. Hall-ilmiö tunnistaa periaatteessa pyörivän roottorin magneettikentän ja syöttää signaalin ohjauspiiriin, joka vastaa staattorin sähkömagneettien virrasta.

Viitaten yläasentoon näemme roottorin tyhjän alueen (joka on tyhjä kaikesta magneettikentästä) läheisessä kosketuksessa hallianturin kanssa pitäen sen poissa päältä-tilassa.

Tällä hetkellä halli-ilmiön virrankatkaisusignaali ilmoittaa ohjauspiirille sähkömagneettien kytkemiseksi päälle, mikä välittömästi aiheuttaa vetovaikutuksen roottorin etelänavalle, joka seisoo aivan kulman takana.

Kun näin tapahtuu, etelänapa putoaa alaspäin ja tuottaa tarvittavan vääntömomentin roottoriin ja yrittää kohdistaa itsensä sähkömagneetin pohjoisnavan kanssa.

Kuitenkin prosessissa myös roottorin etelänapa vetää itsensä lähelle halli-anturia (kuten alemmassa kaaviossa on esitetty), joka havaitsee tämän välittömästi ja kytkeytyy päälle ilmoittamalla ohjauspiirille sähkömagneettien sammuttamisesta.

Sähkömagneettien sammutusaika on ratkaisevan tärkeää

Sähkömagneettien kytkeminen pois päältä oikeaan aikaan hall-ilmiöanturin ilmoittamana kieltää roottorin liikkeen pysähtymisen ja estämisen, pikemminkin sallii sen jatkaa liikkumista muodostetun vääntömomentin läpi, kunnes edellinen asento alkaa muotoilla, ja kunnes halli anturi taas 'tuntee' roottorin tyhjän alueen ja sammuu toistamalla jakson.

Yllä oleva hallianturin vaihtelu roottorin eri asentojen mukaisesti aiheuttaa jatkuvan pyörimisliikkeen, jonka vääntömomentti voi olla suoraan verrannollinen staattorin / roottorin magneettisiin vuorovaikutuksiin, ja tietysti hallin vaikutuksen sijoittaminen.

Yllä olevat keskustelut selittävät kahden perustavanlaatuisen magneetin, yhden hallianturin mekanismin.

Poikkeuksellisen suurempien vääntömomenttien saavuttamiseksi muissa korkeamman hyötysuhteen harjattomissa moottoreissa käytetään enemmän magneetteja ja sähkömagneettisarjoja, joissa voidaan nähdä useampi kuin yksi halliefekti-anturi roottorimagneettien moninkertaisen tunnistamisen toteuttamiseksi siten, että erilaisia ​​sähkömagneettisarjoja voidaan vaihtaa ensisijainen oikea järjestys.

Kuinka hallita BLDC-moottoria

Toistaiseksi olemme ymmärtäneet peruskäsitteen BLDC-moottorit ja opimme kuinka Hall-anturia käytetään moottorin sähkömagneetin aktivoimiseksi ulkoisen kiinnitetyn elektronisen piirin kautta roottorin jatkuvan pyörivän liikkeen ylläpitämiseksi, seuraavassa osassa tutkitaan, miten BLDC-ohjainpiiri todella toimii BLDC-moottoreiden ohjauksessa

Menetelmä kiinteän staattorin sähkömagneetin ja pyörivän vapaan magneettiroottorin toteuttamiseksi varmistaa BLDC-moottoreiden paremman hyötysuhteen verrattuna perinteisiin harjattuihin moottoreihin, joiden topologia on täsmälleen päinvastainen ja jotka siksi tarvitsevat harjoja moottorin toimintaan. Harjojen käyttö tekee toimenpiteistä suhteellisen tehottomia pitkän käyttöiän, kulutuksen ja koon suhteen.

BLDC-moottorin haitta

Vaikka BLDC-tyypit voivat olla tehokkain moottorikonsepti, sillä on yksi merkittävä haittapuoli, että se vaatii ulkoisen elektronisen piirin sen käyttämiseksi. Nykyaikaisten mikropiirien ja herkkien Hall-antureiden myötä tämä asia näyttää nyt olevan melko triviaali verrattuna tämän konseptin korkeaan hyötysuhteeseen.

4 Magneetti BLDC-ohjain Suunnittelu

Tässä artikkelissa keskustelemme yksinkertaisesta ja perusohjauspiiristä neljän magneetin, yhden hallin anturityyppiselle BLDC-moottorille. Moottorin toiminta voidaan ymmärtää viittaamalla seuraavaan moottorimekanismikaavioon:

Yllä olevassa kuvassa on BLDC-moottorin perusjärjestely, jossa on kaksi pysyvien magneettien sarjaa ulomman roottorin kehän poikki ja kaksi joukkoa keskuselementtejä (A, B, C, D) staattorina.

Kiertomomentin joko A, B tai C käynnistämiseksi ja ylläpitämiseksi D-sähkömagneettien on oltava aktivoidussa tilassa (ei koskaan yhdessä) riippuen roottorin magneetin pohjois- / etelänavan sijainnista aktivoitujen sähkömagneettien suhteen.

Kuinka BLDC-moottoriohjain toimii

Tarkemmin sanottuna oletetaan edellisessä skenaariossa esitetty sijainti A: n ja B: n ollessa kytkettynä ON-tilaan siten, että puolelle A syötetään etelänapa, kun puolelle B virtaa pohjoisnavalle.

Tämä tarkoittaisi, että puolella A olisi vetovoima vasemman sinisen pohjoisnapansa ja karkottavan vaikutuksen staattorin oikealla puolella olevalla etelänavalla, samoin sivu B vedä alempaa punaista etelänavaa ja karkottaisi pohjoista ylempää sitten koko prosessin voidaan olettaa vaikuttavan myötäpäivään roottorimekanismin yli.
Oletetaan myös, että yllä olevassa tilanteessa Hall-anturi on deaktivoidussa tilassa, koska se voi olla 'etelänavan aktivoitu' Hall-anturilaite.

Yllä oleva vaikutus yrittäisi kohdistaa ja pakottaa roottorin siten, että etelä lukittuu kasvotusten sivulle B, kun taas pohjoisnapa sivulle A, mutta ennen kuin tämä tilanne pystyy läpikäymään, Hall-anturi tuodaan lähelle roottorin ylemmän etelänavan siirtäminen, ja kun se vain kulkee Hall-anturin yli, se pakotetaan kytkemään päälle, lähettämällä positiivinen signaali kytkettyyn ohjauspiiriin, joka reagoi välittömästi ja kytkee pois päältä sähkömagneetit A / B ja kytkee päälle sähkömagneetit C / D, varmistaen, että roottorin myötäpäivään kohdistuva momentti on jälleen pakotettu ylläpitämällä roottorin tasaista kiertomomenttia.

BLDC-ohjaimen peruspiiri

Edellä selitetty sähkömagneettien kytkentä vastauksena Hall-anturin laukaisusignaaliin voidaan toteuttaa hyvin yksinkertaisesti käyttämällä seuraavaa suoraviivaista BLDC-ohjauspiirin ideaa.

Piiri ei tarvitse paljon selitystä, koska sen liian yksinkertainen, Hall-anturin kytkentätilanteissa, BC547 ja kytketty TIP122 kytketään vastaavasti PÄÄLLE, mikä puolestaan ​​kytkee päälle kollektorinsa yli kiinnitetyt ja positiiviset sähkömagneettisarjat , Hall-anturin sammutusjaksojen aikana BC547 / TIP122-pari kytketään pois päältä, mutta vasemmanpuoleinen TIP122-transistori kytketään päälle aktivoimalla vastakkaiset sähkömagneettisarjat.

Tilannetta vaihdellaan vuorotellen jatkuvasti niin kauan kuin tehoa käytetään, jolloin BLDC pyörii vaadituilla momenteilla ja vauhdilla.