Cách hoạt động của động cơ DC (BLDC) không chổi than

Bài viết trình bày chi tiết về khái niệm vận hành cơ bản của động cơ DC không chổi than hay còn gọi là động cơ BLDC.

Sự khác biệt giữa động cơ DC có chổi than và không chổi than

Trong động cơ chải truyền thống của chúng tôi, chổi được sử dụng để chuyển đổi rôto chuyển động trung tâm đối với stato nam châm vĩnh cửu văn phòng phẩm xung quanh.

Chổi trở nên bắt buộc vì rôto được chế tạo bằng nam châm điện cần năng lượng để hoạt động nhưng vì nó cũng cần quay mọi thứ trở nên vụng về và chổi trở thành sự thay thế duy nhất để cung cấp năng lượng cho rôto điện từ quay.

Ngược lại, trong động cơ DC không chổi than hoặc động cơ BLDC, chúng tôi có một stator trung tâm văn phòng phẩm và một rôto tròn xung quanh. Stato được tạo thành từ một tập hợp các nam châm điện trong khi rôto có các nam châm vĩnh cửu được dán trên chu vi của nó tại một số vị trí được tính toán nhất định.

Sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall

Cơ chế này cũng có một cảm biến hiệu ứng Hall được lắp đặt để cảm nhận vị trí của rôto và các nam châm của nó đối với nam châm điện stato và thông báo dữ liệu đến một mạch chuyển đổi bên ngoài, sau đó sẽ chịu trách nhiệm kích hoạt / hủy kích hoạt các nam châm điện tại trình tự hoặc thời gian chính xác, ảnh hưởng đến chuyển động quay trên rôto.

Giải thích trên có thể được hiểu với sự trợ giúp của hình minh họa cơ bản sau đây và sau đó thông qua một thiết kế phức tạp trong các hình ảnh tiếp theo.

Chúng ta đã tìm hiểu và biết được khá nhiều điều thú vị về nam châm và cách các thiết bị này tương tác.

Chúng ta biết rằng một cực Bắc của nam châm hút cực nam của một nam châm khác trong khi các cực đẩy nhau.

Nam châm vĩnh viễn được định vị như thế nào

Trong sơ đồ bên trên, chúng ta thấy một đĩa có gắn nam châm nhúng ở cạnh của nó (màu đỏ) được đặt với cực bắc hướng ra ngoài, và một nam châm điện cũng được đặt ở vị trí gần song song với cạnh tròn của đĩa tạo ra một từ trường nam khi được cung cấp năng lượng.

Bây giờ giả sử sự sắp xếp được định vị như thể hiện trong sơ đồ đầu tiên phía trên với nam châm điện ở trạng thái ngừng hoạt động.

Ở vị trí này ngay sau khi nam châm điện được kích hoạt với đầu vào DC thích hợp, nó sẽ đạt được và tạo ra từ trường nam ảnh hưởng đến lực kéo lên nam châm đĩa, từ đó buộc đĩa quay với một số mô-men xoắn cho đến khi nam châm vĩnh cửu của nó phù hợp với các nam châm điện ngược dòng của thông lượng.

Hành động trên cho thấy định dạng cơ bản mà khái niệm BLDC hoạt động.

Cách động cơ BLDC hoạt động với cảm biến hiệu ứng Hall

Bây giờ chúng ta hãy xem thực tế khái niệm trên được thực hiện như thế nào bằng cách sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall để duy trì chuyển động liên tục trên rôto.

Sơ đồ ví dụ sau giải thích toàn diện cơ chế:

Trong sơ đồ trên, về cơ bản chúng ta thấy một cách sắp xếp rôto / stato BLDC đơn giản, trong đó phần tử hình tròn bên ngoài là rôto quay trong khi nam châm điện trung tâm trở thành stato cố định.

Rôto có thể được nhìn thấy có một vài nam châm vĩnh cửu được cố định ở ngoại vi có cực nam là đường ảnh hưởng của từ thông, stato trung tâm là một nam châm điện mạnh được thiết kế để tạo ra cường độ tương đương của từ thông Bắc cực khi được cung cấp năng lượng bằng một DC bên ngoài.

Chúng ta cũng có thể hình dung một cảm biến hội trường nằm gần một trong các góc của ngoại vi rôto bên trong. Hiệu ứng hội trường về cơ bản cảm nhận từ trường của rôto quay và cấp tín hiệu cho mạch điều khiển chịu trách nhiệm cấp nguồn cho các nam châm điện stato.

Đề cập đến vị trí phía trên, chúng ta thấy vùng trống (không có từ trường nào) của rôto tiếp xúc chặt chẽ với cảm biến Hall giữ nó ở trạng thái TẮT chuyển đổi.

Tại thời điểm này, tín hiệu tắt từ hiệu ứng sảnh thông báo cho mạch điều khiển BẬT các nam châm điện, ngay lập tức tạo ra hiệu ứng kéo lên cực nam của rôto đang đứng ngay góc.

Khi điều này xảy ra, cực Nam đi xuống tạo ra mô-men xoắn cần thiết trên rôto và cố gắng điều chỉnh chính nó phù hợp với cực bắc của nam châm điện.

Tuy nhiên, trong quá trình này, cực nam của rôto cũng tự kéo đến gần cảm biến Hall (như trong sơ đồ bên dưới), cảm biến này ngay lập tức phát hiện điều này và chuyển ON thông báo cho mạch điều khiển TẮT các nam châm điện.

TẮT Thời gian của nam châm điện là rất quan trọng

Việc tắt nam châm điện vào đúng thời điểm như được báo hiệu bởi cảm biến hiệu ứng hội trường sẽ cấm dừng và cản trở chuyển động của rôto, thay vì cho phép nó tiếp tục chuyển động thông qua mô-men xoắn được tạo ra cho đến khi vị trí trước đó bắt đầu định hình và cho đến khi hội trường cảm biến lại 'cảm nhận' vùng trống của rôto và được TẮT lặp lại chu kỳ.

Việc chuyển đổi ở trên của cảm biến Hall phù hợp với các vị trí rôto khác nhau tạo ra chuyển động quay liên tục với mômen xoắn có thể tỷ lệ thuận với tương tác từ trường stato / rôto và dĩ nhiên là định vị hiệu ứng sảnh.

Các cuộc thảo luận ở trên giải thích cơ chế hai nam châm cơ bản nhất, một cơ chế cảm biến Hall.

Để đạt được mô-men xoắn đặc biệt cao hơn, nhiều nam châm và bộ nam châm điện được sử dụng trong các động cơ không chổi than hiệu suất cao hơn trong đó nhiều hơn một cảm biến hiệu ứng hội trường có thể được nhìn thấy để thực hiện nhiều cảm biến của nam châm rôto để các bộ nam châm điện khác nhau có thể được chuyển đổi tại trình tự chính xác ưu tiên.

Cách điều khiển động cơ BLDC

Cho đến nay, chúng tôi đã hiểu khái niệm làm việc cơ bản của Động cơ BLDC và tìm hiểu cách sử dụng cảm biến Hall để kích hoạt nam châm điện của động cơ thông qua một mạch điện tử gắn bên ngoài để duy trì chuyển động quay liên tục của rôto, trong phần tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu về cách mạch điều khiển BLDC thực sự hoạt động để điều khiển động cơ BLDC

Phương pháp thực hiện một nam châm điện stato cố định và một rôto từ tự do quay đảm bảo hiệu quả nâng cao cho động cơ BLDC so với động cơ có chổi than truyền thống có cấu trúc liên kết ngược lại hoàn toàn và do đó yêu cầu chổi than cho hoạt động của động cơ. Việc sử dụng bàn chải làm cho các quy trình tương đối kém hiệu quả về tuổi thọ, mức tiêu thụ và kích thước lâu dài.

Nhược điểm của Động cơ BLDC

Mặc dù, loại BLDC có thể là khái niệm động cơ hiệu quả nhất, nhưng nó có một nhược điểm đáng kể là nó yêu cầu một mạch điện tử bên ngoài để vận hành nó. Tuy nhiên, với sự ra đời của các vi mạch hiện đại và cảm biến Hall nhạy cảm, vấn đề này giờ đây dường như là khá nhỏ khi so sánh với mức độ hiệu quả cao liên quan đến khái niệm này.

4 Magnet BLDC Driver The Design

Trong bài viết này, chúng ta đang thảo luận về một mạch điều khiển đơn giản và cơ bản cho động cơ BLDC loại cảm biến đơn, bốn nam châm. Có thể hiểu hoạt động của động cơ bằng cách tham khảo sơ đồ cơ chế động cơ sau:

Hình ảnh trên cho thấy một cách sắp xếp động cơ BLDC cơ bản có hai bộ nam châm vĩnh cửu ở ngoại vi của rôto bên ngoài và hai bộ nam châm điện trung tâm (A, B, C, D) làm stato.

Để tạo ra và duy trì mômen quay A, B hoặc C, D nam châm điện phải ở trạng thái được kích hoạt (không bao giờ ở cùng nhau) tùy thuộc vào vị trí của các cực Bắc / Nam của nam châm rôto đối với nam châm điện được kích hoạt.

Cách hoạt động của trình điều khiển động cơ BLDC

Nói một cách chính xác, hãy giả sử vị trí được hiển thị trong tình huống trên với A và B ở trạng thái BẬT được chuyển đổi sao cho bên A được cung cấp năng lượng cho cực Nam trong khi bên B được cấp năng lượng cho cực Bắc.

Điều này có nghĩa là bên A sẽ tạo ra một hiệu ứng kéo qua cực Bắc màu xanh bên trái của nó và một hiệu ứng đẩy lên cực nam bên phải của stato, tương tự như bên B sẽ kéo cực nam màu đỏ dưới và đẩy lùi cực bắc trên cực của rôto .... toàn bộ quá trình sau đó có thể được giả định là tạo ra một chuyển động theo chiều kim đồng hồ ấn tượng trên cơ chế rôto.
Cũng giả sử rằng trong tình huống trên, cảm biến Hall ở trạng thái ngừng hoạt động vì nó có thể là thiết bị cảm biến Hall 'kích hoạt cực nam'.

Hiệu ứng trên sẽ cố gắng căn chỉnh và buộc rôto sao cho cực nam đối mặt với mặt B trong khi cực bắc với mặt A, tuy nhiên trước khi tình huống này có thể chuyển hướng, cảm biến Hall được đưa đến gần với dịch chuyển cực nam phía trên của rôto và khi điều này chỉ đi ngang qua cảm biến Hall, nó buộc phải BẬT, gửi tín hiệu tích cực đến mạch điều khiển được kết nối, mạch này sẽ phản hồi ngay lập tức và TẮT nam châm điện A / B và BẬT nam châm điện C / D, đảm bảo rằng mômen quay theo chiều kim đồng hồ của rôto vẫn được thực thi một lần nữa để duy trì mômen quay nhất quán trên rôto.

Mạch điều khiển BLDC cơ bản

Việc chuyển đổi nam châm điện được giải thích ở trên để đáp ứng với tín hiệu kích hoạt cảm biến Hall có thể được thực hiện rất đơn giản bằng cách sử dụng ý tưởng mạch điều khiển BLDC đơn giản sau đây.

Mạch không cần giải thích nhiều vì nó quá cơ bản, trong các tình huống BẬT công tắc của cảm biến Hall, BC547 và TIP122 được ghép nối tương ứng được BẬT, lần lượt BẬT các bộ nam châm điện tương ứng được gắn trên bộ thu và cực dương của chúng , trong thời gian TẮT chuyển đổi của cảm biến Hall, cặp BC547 / TIP122 được TẮT, nhưng bóng bán dẫn TIP122 cực trái được BẬT kích hoạt các bộ nam châm điện ngược lại.

Tình huống được chuyển đổi luân phiên, liên tục miễn là nguồn điện vẫn được áp dụng giữ cho BLDC quay với mômen và động lượng cần thiết.