Hur fungerar en BLDC-motor: En detaljerad förklaring av principerna för borstlösa likströmsmotorer

Under de senaste två till tre decennierna, på grund av den kontinuerliga utvecklingen av elektronisk teknik och permanentmagnetmaterial,BLDC-motorerhar förvandlats från nischmotorer till vanliga kraftlösningar för olika industrier.BLDC-motorerhar använts i stor utsträckning i applikationer, inklusive hushållsapparater, elverktyg, elfordon och industriell automationsutrustning på grund av deras höga effektivitet, höga tillförlitlighet och långa livslängd. Ändå är driftprinciperna för BLDC-motorer fortfarande inte kända för många individer. Den här artikeln kommer att förklara allt du behöver för att inse om arbetsprincipen för BLDC-motorer så att du kan få en mer detaljerad bild av denna otroliga innovation inom dagens elektroteknik.

Den grundläggande strukturen för en BLDC-motor

Nu, innan vi går in på arbetsprincipen, bör vi bekanta oss med dess grundläggande struktur:

Stator: Fixerad inuti motorhuset, den består vanligtvis av laminerade silikonstålplåtar och spolar är lindade runt den för att skapa flera elektromagnetiska poler.

Rotor: Rotorn är vanligtvis monterad på axeln och innehåller permanentmagneter. BLDC-motorer kan klassificeras i flera varianter baserat på de olika konfigurationerna av permanentmagneterna.

Hallsensorer: För bestämning av rotorns position och återkoppling till det elektroniska styrsystemet.

Styrenhet: Ett elektroniskt styrsystem som bestämmer tidpunkten för strömmen som flyter genom statorlindningarna baserat på återkopplingen från Hall-sensorerna eller andra återkopplingsmekanismer.

Det är värt att notera att outrunner BLDC-motorstrukturen är unik från den inre rotorstrukturen. Rotorn är utanför och statorn är inuti. Denna typ av design är särskilt utbredd i applikationer som kräver högt vridmoment, som vid drivning av drönarpropellrar.

Principerna för elektromagnetism: Grunden för BLDC-motordrift

Två grundläggande principer för elektromagnetism bestämmer hur en BLDC-motor fungerar:

Amperes lag: När en strömförande ledare befinner sig i ett magnetfält kommer ledaren att utsättas för en kraft. Statorn på en BLDC-motor är konstruerad av lindade kopparlindningar, och efter att dessa lindningar har aktiverats skapar de ett magnetfält som samverkar mellan rotorns permanentmagneter för att generera en kraft som ger den mekaniska rörelsen för rotorn att vrida.

Faradays lag för elektromagnetisk induktion: En elektromotorisk kraft kommer att induceras i en ledare när den skär magnetfältlinjer eller befinner sig i ett föränderligt magnetfält. Den används ofta i sensorlös styrning, där rotorns position detekteras genom att känna av de bakre elektromotoriska krafterna.

Dessa principer tillämpas i konstruktionen av industriella borstlösa motorer. De åstadkommer detta genom att finreglera strömmen som flyter genom statorlindningarna, vilket säkerställer gynnsamma elektromagnetiska interaktioner med rotorns permanentmagneter för att uppnå hög effektivitet och stabilitet.

Kommuteringsprocessen för en BLDC-motor

Den viktigaste arbetsmekanismen i BLDC-motorn kallas elektronisk kommutering. Det är den viktigaste och viktigaste skillnaden mellan borstlösa motorer och traditionella borstade motorer.

Kommuteringsprincip: Kommutering är processen att ändra strömflödets riktning i förhållande till motorns spolar så att det kan existera kontinuerlig elektromagnetisk interaktion mellan rotorn och statorn, vilket skapar kontinuerligt vridmoment.

Sexstegskommutering: Den traditionella styrmetoden för BLDC-motorer delar upp den elektriska cykeln i sex steg. I varje steg är två av trefaslindningarna strömförande, medan en fas är avstängd.

Hallsensoråterkoppling: Hallsensorer känner av positionen för rotorns permanentmagneter, så att styrenheten kan bestämma vilken lindning som ska aktiveras och strömriktningen.

Sensorlös styrning: En mer avancerad metod är att bestämma rotorns position genom att övervaka den bakre elektromotoriska kraften i den oaktiverade fasen, inga Hall-sensorer behövs för att implementera denna komplexa strategi, vilket resulterar i större tillförlitlighet för drivningen.

Stora BLDC-motorer använder vanligtvis mer komplexa styrstrategier, såsom sinusvågsdrift eller vektorstyrning, för att uppnå jämnare vridmoment och högre effektivitet.

Styrenhetens roll i ett BLDC-motorsystem

BLDC-motorn kan inte fungera på egen hand och måste kombineras med en specialiserad elektronisk styrenhet:

Motordrivrutinen: Vanligtvis en trefas bryggväxelriktare baserad på power MOSFET eller IGBT som växlar strömvägen enligt styrsignalen

Mikrokontroller: Tar emot signaler från positionssensorn, utför kontrollalgoritmer och genererar PWM-signaler för att driva kraftenheterna.

Kontroll med sluten slinga: Ger exakt hastighetskontroll eller positionskontroll baserat på applikationsbehov.

Säker skyddsfunktion: överströmsskydd, övertemperaturskydd, underspänningsskydd, etc.

Tillämpningar för 48V BLDC-motorsystem är utbredda i elcyklar, små elfordon och vissa andra industriella tillämpningar. Dess styrenhet och hanteringskretsar måste hantera högre spänningar och strömmar och har vanligtvis en mer komplex uppsättning av prestanda och skyddsfunktioner.

Prestandaegenskaper och tillämpningsscenarier för BLDC-motorer

Låt oss nu ta en titt på deras prestandafördelar efter att ha lärt oss BLDC motordriftsprinciper:

Hög effektivitet: På grund av frånvaron av friktionsförluster från borstar och kommutatorer är deras effektivitet vanligtvis över 85 %, till och med över 95 % i vissa fall.

Bra vridmomentegenskaper: Ger ett brett spektrum av vridmoment.

Längre livslängd: Utan mekaniska slitageelement begränsas livslängden endast i slutändan av lagren.

Förbättrad värmeavledningseffektivitet: Direktkontakt mellan statorlindningarna och motorhuset för effektivare värmeavledning.

Lågt brus och elektromagnetisk störning: Det finns inga gnistor eller brus som genereras av penselkommutering.

På grund av sin speciella struktur är outrunner BLDC-motorn mer kapabel att ge högre vridmoment vid låga hastigheter, vilket gör dem särskilt lämpliga för direktdrivningssystem, som drönarpropellrar och fläktar, etc. Med fördelarna med stabilitet och hållbarhet gör den borstlösa motorn den till valet av strömförsörjning i automationsutrustning och precisionsinstrument.

Styralgoritmerna för BLDC-motorer

Den mer utvecklade moderna BLDC-styrtekniken har överträffat denna enkla sex-stegs kommuteringsmetod:

Trapetsvågkontroll: Den mest grundläggande kontrollmetoden är en trapetsformad strömvågform. Den är enkel att tillämpa i praktiken men ger vridmomentvågor med avsevärd amplitud.

Sinusformad kontroll: driver motorn med sinusformad ström, vilket kan minska motorns vridmoment och göra körningen mjukare.

Fältorienterad styrning (FOC): Genom att tillämpa en matematisk transformation översätts 3-fasströmmen till det roterande koordinatsystemet för styrning, vilket leder till optimal vridmomentkontroll och energieffektivitet.

Sensorfusionsteknik: Integrerar flera återkopplingssignaler (t.ex. Hall-sensorer, kodare och strömsampling) för bättre kontrollnoggrannhet och robusthet.

På grund av utmaningarna i högeffektapplikationer, såsom termisk hantering, effektivitetsoptimering och dynamisk respons, används mer sofistikerade kontrollalgoritmer vanligtvis för stora BLDC-motorer.

Slutsats: Arbetsprinciperna och fördelarna med BLDC-motorer

BLDC-motorerstyr exakt strömmen i statorlindningarna genom ett elektroniskt styrsystem och interagerar med rotorns permanentmagneter för att uppnå effektiv omvandling av elektrisk energi till mekanisk energi. Från små konsumentelektronikenheter till stor industriell utrustning, från lågspänningstillämpningar till 48V BLDC-motorsystem, borstlösa DC-motorer, med sin höga effektivitet, höga tillförlitlighet och utmärkta kontrollprestanda, driver tekniska framsteg och energieffektivitetsförbättringar inom olika industrier. Med den kontinuerliga utvecklingen av elektronisk styrteknik och permanentmagnetmaterial kan vi förutse att BLDC-motorer kommer att ha ett bredare användningsperspektiv och mer enastående prestanda.

Om du är intresserad av våra produkter eller har några frågor är du välkommenkontakta ossoch vi kommer att svara dig inom 24 timmar.