Come funzionano i motori CC senza spazzole (BLDC)

Come funzionano i motori CC senza spazzole (BLDC)

Il post descrive dettagliatamente il concetto operativo di base dei motori CC senza spazzole, chiamati anche motori BLDC.



Differenza tra motori CC con spazzole e senza spazzole

Nei nostri motori tradizionali a spazzole vengono impiegate spazzole per commutare il rotore centrale mobile rispetto allo statore a magneti permanenti della cancelleria circostante.

Le spazzole diventano imperative perché il rotore è realizzato utilizzando elettromagneti che hanno bisogno di potenza per funzionare ma poiché ha bisogno anche di ruotare le cose diventano goffe e le spazzole diventano l'unica alternativa per fornire potenza al rotore elettromagnetico rotante.





Al contrario nei motori Brushless DC o BLDC abbiamo uno statore centrale fisso e un rotore circolare circostante. Lo statore è costituito da una serie di elettromagneti mentre il rotore ha magneti permanenti fissati lungo il suo perimetro in determinate posizioni calcolate.

Utilizzo di sensori a effetto Hall

Il meccanismo ha anche un sensore ad effetto Hall che viene installato per rilevare la posizione del rotore e dei suoi magneti rispetto all'elettromagnete dello statore e informare i dati ad un circuito di commutazione esterno che diventa poi responsabile dell'attivazione / disattivazione degli elettromagneti al sequenza o tempistica corretta, influenzando un movimento rotatorio del rotore.



La spiegazione di cui sopra può essere compresa con l'aiuto della seguente illustrazione di base e quindi attraverso un disegno elaborato nelle immagini successive.

Abbiamo imparato e sappiamo alcune cose interessanti sui magneti e su come interagiscono questi dispositivi.

Sappiamo che un polo nord del magnete attrae il polo sud di un altro magnete mentre i poli simili si respingono.

Come sono posizionati i magneti permanenti

Nel diagramma mostrato sopra vediamo un disco con un magnete incorporato al suo bordo (mostrato in colore rosso) che è posizionato con il polo nord rivolto verso l'esterno, e anche un elettromagnete posizionato in prossimità del bordo circolare del disco che produce un campo magnetico meridionale quando eccitato.

Supponiamo ora che la disposizione sia posizionata come mostrato nel primo diagramma superiore con l'elettromagnete in uno stato disattivato.

In questa posizione non appena l'elettromagnete viene attivato con un ingresso CC appropriato, raggiunge e genera un campo magnetico sud che influenza una forza di trazione sul disco magnetico che a sua volta costringe il disco a ruotare con una certa coppia fino a quando il suo magnete permanente non è in linea con gli elettromagneti di fronte alle linee di flusso.

L'azione sopra mostra il formato di base in cui funziona il concetto di BLDC.

Come funziona il motore BLDC con i sensori a effetto Hall

Vediamo ora come effettivamente il concetto di cui sopra viene implementato utilizzando sensori ad effetto Hall per sostenere un movimento continuo sul rotore.

Il seguente diagramma di esempio spiega il meccanismo in modo completo:

Nel diagramma sopra vediamo fondamentalmente una semplice disposizione rotore / statore BLDC, dove l'elemento circolare esterno è il rotore rotante mentre l'elettromagnete centrale diventa lo statore fisso.

Il rotore potrebbe essere visto con una coppia di magneti permanenti fissati alla periferia che hanno il polo sud come linee di flusso che influenzano, lo statore centrale è un potente elettromagnete progettato per generare una forza equivalente del flusso magnetico del polo nord quando eccitato con un DC esterna.

Possiamo anche visualizzare un sensore di hall situato vicino a uno degli angoli della periferia del rotore interno. L'effetto hall rileva fondamentalmente il campo magnetico del rotore rotante e invia il segnale a un circuito di controllo responsabile dell'alimentazione degli elettromagneti dello statore.

Facendo riferimento alla posizione superiore vediamo l'area vuota (che è priva di qualsiasi campo magnetico) del rotore a stretto contatto con il sensore di hall mantenendolo in uno stato spento.

In questo istante, il segnale di spegnimento dall'effetto hall informa il circuito di controllo di accendere gli elettromagneti, il che induce istantaneamente un effetto di trazione sul polo sud del rotore che si trova proprio dietro l'angolo.

Quando ciò accade, il polo sud si abbassa producendo la coppia richiesta sul rotore e cerca di allinearsi in linea con il polo nord dell'elettromagnete.

Tuttavia nel processo il polo sud del rotore si avvicina anche al sensore Hall (come mostrato nel diagramma inferiore) che lo rileva immediatamente e si accende informando il circuito di controllo di spegnere gli elettromagneti.

Il tempo di spegnimento degli elettromagneti è cruciale

Lo spegnimento tempestivo degli elettromagneti come segnalato dal sensore ad effetto hall vieta lo stallo e l'ostacolo al moto del rotore, anzi gli permette di proseguire il moto attraverso la coppia generata fino a quando la posizione precedente non inizia a prendere forma, e fino a quando il padiglione il sensore ancora una volta 'sente' l'area vuota del rotore e si spegne ripetendo il ciclo.

La suddetta commutazione del sensore hall in accordo con le varie posizioni del rotore provoca un movimento rotatorio continuo con una coppia che può essere direttamente proporzionale alle interazioni magnetiche statore / rotore, e naturalmente il posizionamento ad effetto hall.

Le discussioni precedenti spiegano il meccanismo più fondamentale a due magneti, un sensore di hall.

Al fine di ottenere coppie eccezionalmente più elevate, più magneti e gruppi di elettromagneti sono impiegati in altri motori brushless ad alta efficienza in cui è possibile vedere più di un sensore ad effetto hall per implementare il rilevamento multiplo dei magneti del rotore in modo che diversi set di elettromagneti possano essere commutati al sequenza corretta preferita.

Come controllare il motore BLDC

Finora abbiamo compreso il concetto di lavoro di base di Motori BLDC e appreso come viene utilizzato un sensore Hall per attivare l'elettromagnete del motore attraverso un circuito elettronico esterno collegato per sostenere un movimento di rotazione continuo del rotore, nella prossima sezione studieremo la registrazione di come il circuito del driver BLDC funzioni effettivamente per il controllo dei motori BLDC

Il metodo di implementazione di un elettromagnete statore fisso e di un rotore magnetico libero rotante garantisce una maggiore efficienza ai motori BLDC rispetto ai tradizionali motori a spazzole che hanno la topologia esattamente opposta e quindi richiedono spazzole per il funzionamento del motore. L'utilizzo di spazzole rende le procedure relativamente inefficienti in termini di durata, consumi e dimensioni.

Svantaggio del motore BLDC

Sebbene i tipi BLDC possano essere il concetto di motore più efficiente, ha uno svantaggio significativo che richiede un circuito elettronico esterno per il suo funzionamento. Tuttavia, con l'avvento dei moderni circuiti integrati e dei sensori Hall sensibili, questo problema sembra ora essere piuttosto banale se confrontato con l'elevato grado di efficienza implicato in questo concetto.

4 Magnet BLDC Driver Il design

Nel presente articolo stiamo discutendo un circuito di controllo semplice e di base per un motore BLDC a quattro magneti, con sensore Hall singolo. Il funzionamento del motore può essere compreso facendo riferimento al seguente diagramma del meccanismo del motore:

L'immagine sopra mostra una disposizione di base del motore BLDC con due serie di magneti permanenti attraverso la periferia di un rotore esterno e due serie di elettromagnete centrale (A, B, C, D) come statore.

Per avviare e sostenere una coppia di rotazione, gli elettromagneti A, B o C, D devono essere in uno stato attivato (mai insieme) a seconda delle posizioni dei poli nord / sud del magnete rotore rispetto agli elettromagneti attivati.

Come funziona il driver del motore BLDC

Per essere precisi, assumiamo la posizione mostrata nello scenario precedente con A e B in uno stato acceso tale che il lato A sia eccitato con il polo sud mentre il lato B sia eccitato con il polo nord.

Ciò significherebbe che il lato A eserciterebbe un effetto di trazione sul polo nord blu sinistro e un effetto repellente sul polo sud del lato destro dello statore, allo stesso modo il lato B tirerebbe il polo sud rosso inferiore e respingerebbe il nord superiore polo del rotore .... si può quindi presumere che l'intero processo stia esercitando un impressionante movimento in senso orario sul meccanismo del rotore.
Supponiamo inoltre che nella situazione precedente il sensore Hall sia in uno stato disattivato poiché potrebbe essere un dispositivo sensore Hall 'attivato al polo sud'.

L'effetto di cui sopra proverebbe ad allineare e forzare il rotore in modo tale che il sud si blocchi faccia a faccia con il lato B mentre il polo nord con il lato A, tuttavia prima che questa situazione sia in grado di traspirare il sensore di Hall viene portato in prossimità del lato spostando il polo sud superiore del rotore, e quando questo transita solo attraverso il sensore di Hall è costretto ad accendersi, inviando un segnale positivo al circuito di controllo collegato che risponde istantaneamente e spegne gli elettromagneti A / B, e accende gli elettromagneti C / D, assicurandosi che il momento in senso orario del rotore sia nuovamente applicato mantenendo una coppia di rotazione costante sul rotore.

Circuito driver BLDC di base

La commutazione sopra spiegata degli elettromagneti in risposta al segnale di attivazione del sensore Hall può essere implementata in modo molto semplice utilizzando la seguente idea di circuito di controllo BLDC semplice.

Il circuito non ha bisogno di molte spiegazioni poiché è troppo basilare, durante le situazioni di accensione del sensore Hall, il BC547 e il TIP122 accoppiato vengono corrispondentemente accesi che a loro volta accende i corrispondenti set di elettromagneti collegati al loro collettore e positivo , durante i periodi di spegnimento del sensore Hall, la coppia BC547 / TIP122 viene spenta, ma il transistor TIP122 all'estrema sinistra viene acceso attivando i set opposti di elettromagnete.

La situazione viene cambiata alternativamente, continuamente fintanto che l'alimentazione rimane applicata mantenendo il BLDC in rotazione con le coppie e la quantità di moto richieste.




Precedente: Circuito caricatore per laptop dalla batteria 12V Avanti: Come realizzare un potente circuito di disturbo del segnale RF