Johdanto
Brushless DC (BLDC) -moottorit ovat saamassa nopeasti suosiota erilaisissa teollisissa sovelluksissa poikkeuksellisen tehokkuutensa, pitkän käyttöikänsä, suuren vääntömomenttinsa ja alhaisten huoltotarpeidensa ansiosta. Nämä moottorit käyttävät kestomagneetteja ja elektronisesti ohjattua kommutointia poistamaan perinteisistä tasavirtamoottoreista löytyvät fyysiset harjat ja kommutaattorit. Tämä johtaa luotettavampaan ja tehokkaampaan moottoriin. Tässä artikkelissa perehdymme siihen, kuinka BLDC-moottori toimii ja miten sitä käytetään.
BLDC-moottorin perusrakenne
BLDC-moottori koostuu roottorista, staattorista ja käämisarjasta. Roottori koostuu kestomagneeteista ja on sijoitettu moottorin keskelle. Staattori ympäröi roottoria ja sisältää joukon käämiä, jotka jännitetään tietyssä kuviossa pyörivän magneettikentän tuottamiseksi. Kun roottori altistuu tälle magneettikentälle, se pyörii kohdistaakseen magneettisia voimalinjoja.
Kuinka BLDC-moottoria käytetään
BLDC-moottoreita ohjaa elektroninen piiri, joka ohjaa moottorin käämeihin syötettävän virran ajoitusta ja napaisuutta. Tätä piiriä kutsutaan yleisesti moottoriohjaimeksi. Moottoriohjain vastaanottaa syötteitä useista eri lähteistä, mukaan lukien anturit, kooderi tai mikroprosessori, riippuen tietystä sovelluksesta.
Anturipohjainen ohjaus
Yksi yleinen menetelmä BLDC-moottorin ohjaamiseksi on anturipohjainen ohjaus. Tämä lähestymistapa hyödyntää moottorin sisällä olevista Hall-antureista saatua palautetta. Hall-anturit ovat pieniä elektronisia laitteita, jotka voivat mitata magneettikentän voimakkuutta ja suuntaa. Tyypillisessä BLDC-moottorissa on kolme Hall-anturia järjestettynä staattorin ympärille. Nämä anturit havaitsevat roottorin suunnan ja antavat moottoriohjaimelle tietoa, jonka avulla se voi aktivoida käämit oikein.
Moottoriohjain käyttää tätä palautetietoa määrittääkseen, mikä käämi kytketään ja milloin se kytketään. Aktivoimalla käämit tietyssä järjestyksessä, syntyy pyörivä magneettikenttä, joka on vuorovaikutuksessa roottorin kanssa ja saa sen pyörimään. Tätä energisointijaksoa kutsutaan yleisesti kommutaatioksi.
Anturiton ohjaus
Toinen tapa ohjata BLDC-moottoria on anturiton ohjaus. Tämä lähestymistapa käyttää matemaattista mallia moottorin käyttäytymisestä roottorin asennon ja nopeuden määrittämiseksi ilman Hall-antureiden tarvetta. Anturiton ohjaus on tulossa yhä suositummaksi sen halvemman ja paremman luotettavuuden ansiosta anturipohjaiseen ohjaukseen verrattuna.
Anturiton ohjaus käyttää erilaisia tekniikoita roottorin asennon laskemiseen, mukaan lukien back-EMF-anturi, havainnointimenetelmät ja mallipohjaiset menetelmät. Back-EMF-tunnistukseen kuuluu käämeissä roottorin pyöriessä indusoituvan jännitteen mittaaminen. Tarkkailijapohjaiset menetelmät käyttävät algoritmia roottorin asennon arvioimiseen moottorin käyttäytymisen perusteella. Mallipohjaisissa menetelmissä käytetään moottorin matemaattista mallia roottorin asennon ennustamiseen tulovirtojen ja jännitteiden perusteella.
Pulssinleveysmodulaatio
Riippumatta käytetystä ohjaustavasta, moottoriohjaimen on moduloitava tulojännitteen pulssin leveys moottorin käämeille. Pulssinleveysmodulaatio (PWM) on menetelmä moottoriin syötettävän jännitteen säätämiseksi kytkemällä jännite nopeasti päälle ja pois korkealla taajuudella.
PWM-signaalin toimintajakso määrittää moottoriin syötetyn keskimääräisen jännitteen. Vaihtelemalla PWM-signaalin toimintajaksoa moottorin ohjain voi ohjata moottorin nopeutta ja vääntömomenttia. PWM-signaalin taajuus on tyypillisesti useita kilohertsejä, jotta moottorista ei kuulu kohinaa.
BLDC-moottorien edut
BLDC-moottorit tarjoavat lukuisia etuja perinteisiin tasavirtamoottoreihin ja AC-induktiomoottoreihin verrattuna. Joitakin näistä eduista ovat:
1. Korkea hyötysuhde
2. Pitkä käyttöikä
3. Suuri vääntömomenttitiheys
4. Alhaiset huoltovaatimukset
5. Tarkka nopeuden ja vääntömomentin säätö
6. Hiljainen toiminta
7. Kompakti ja kevyt muotoilu
BLDC-moottorien sovellukset
BLDC-moottoreita käytetään laajasti erilaisissa teollisissa ja kaupallisissa sovelluksissa niiden lukuisten etujen vuoksi. Jotkut BLDC-moottoreiden yleisimmistä sovelluksista ovat:
1. Sähköajoneuvot
2. LVI-järjestelmät
3. Teollisuusautomaatio
4. Robotiikka
5. Lääketieteelliset laitteet
6. Kodinkoneet
7. Ilmailu
Johtopäätös
Yhteenvetona voidaan todeta, että BLDC-moottorit tarjoavat lukuisia etuja perinteisiin tasavirtamoottoreihin ja AC-oikosulkumoottoreihin verrattuna. Näitä moottoreita ohjaa elektroninen piiri, joka ohjaa moottorin käämeihin syötettävän virran ajoitusta ja napaisuutta. BLDC-moottoreita ohjataan tyypillisesti anturipohjaisella tai anturittomalla ohjauksella, ja ne käyttävät pulssinleveysmodulaatiota säätämään moottoriin syötettyä jännitettä. Näitä moottoreita käytetään laajasti erilaisissa teollisissa ja kaupallisissa sovelluksissa, mukaan lukien sähköajoneuvot, LVI-järjestelmät, teollisuusautomaatio ja robotiikka.