Cum se face un motor BLDC: principii de bază și arhitectură de sistem

Cum se face un motor BLDC: principii de bază și arhitectură de sistem

Înțelegerea cum se face un motor BLDC începe cu înțelegerea de ce există motorul de curent continuu fără perii și cum diferă fundamental de motoarele de curent continuu cu perii pe care le-a înlocuit. Un motor de curent continuu cu perii folosește perii de cărbune fizice care presează pe un inel de comutator rotativ pentru a comuta direcția curentului în înfășurările rotorului pe măsură ce motorul se rotește. Acest mecanism de comutație creează frecare, generează căldură, produce zgomot electric și se uzează în timp pe măsură ce periile de cărbune se erodează și suprafața comutatorului se degradează. Un motor BLDC elimină atât periile, cât și comutatorul prin plasarea magneților permanenți pe rotor și a înfășurărilor pe stator și prin utilizarea comutației electronice (controlerul BLDC) pentru a comuta curentul în loc de contact mecanic.

Rezultatul este un motor cu fără suprafețe de contact uzate , eficiență semnificativ mai mare (de obicei 85 până la 95% față de 60 până la 85% pentru motoarele cu perii ), zgomot audibil mult mai mic, densitate de putere mai mare (mai multă putere per kilogram de masă a motorului) și o durată de viață măsurată în mii de ore, mai degrabă decât în sute. Aceste avantaje explică de ce motoarele BLDC au înlocuit motoarele cu perii în aplicații, de la hard disk-uri ale computerelor și propulsie de drone până la mașini de spălat și, în mod esențial pentru acest articol, ventilatoare rezidențiale și comerciale.

Construcția motorului BLDC: proces de asamblare pas cu pas

Următorii pași descriu cum se face un motor BLDC din componentele de bază, acoperind atât configurația rotorului interior (tradițional) cât și rotorul exterior. Configurația rotorului exterior este detaliată în mod special deoarece este designul dominant pentru Motor răcitor de aer BLDC and Motor extern de răcire a aerului BLDC aplicatii.

1. Pasul 1: Proiectați stiva de laminare a statorului. Statorul este construit dintr-o stivă de laminate subțiri de oțel siliconic (de obicei 0,35 până la 0,5 mm grosime ) perforat la geometria dintelui și a fantei necesare. Pentru un stator cu 12 fante (cea mai comună configurație pentru motoarele BLDC cu 4 sau 8 poli), 12 fante sunt dispuse radial în jurul orificiului central. Înălțimea stivei de laminare determină lungimea axială a motorului și este proporțională cu puterea acestuia. Fiecare fantă va deține o fază a înfășurării trifazate.
2. Pasul 2: Înfășurați bobinele statorului. Firul magnet de cupru (izolat cu email) este înfășurat în jurul fiecărui dinte de stator în numărul specificat de spire. Pentru un motor trifazat, cele 12 fante de bobină sunt înfășurate într-un model repetat A-B-C-A-B-C, fiecare fază cuprinzând 4 seturi de bobine conectate în serie sau paralel, în funcție de tensiunea și caracteristicile curentului dorite ale motorului. Ecartamentul sârmei determină valoarea nominală a curentului: sârma mai groasă transportă mai mult curent, dar necesită mai mult spațiu în fiecare fantă. Calibrele tipice ale firelor pentru motoarele BLDC mici (30 până la 300 wați) variază de la 0,3 mm până la 1,2 mm diametru .
3. Pasul 3: Izolați și asigurați înfășurarea. După înfășurare, bobinele statorului trebuie să fie izolate electric de miezul din oțel silicon și asigurate mecanic. Acest lucru se realizează prin aplicarea izolatorilor de bobină sau a căptușelilor cu fante înainte de înfășurare și apoi impregnarea în vid a statorului bobinat cu lac (de obicei poliester sau rășină epoxidica) și întărirea acestuia într-un cuptor la 120 până la 150 de grade Celsius . Lacul întărit blochează înfășurările în poziție, îmbunătățește transferul de căldură de la bobine la corpul statorului și protejează izolația sârmei emailate de deteriorări mecanice și umiditate.
4. Pasul 4: Construiți ansamblul rotorului. Pentru un motor BLDC cu rotor exterior, rotorul constă dintr-o cupă sau o carcasă de oțel cu magneți permanenți legați de circumferința sa interioară. Magneții sunt aranjați în polaritate nord-sud alternativă în jurul peretelui interior, numărul de poli magnetici fiind un raport specific față de numărul de fante pentru stator. Pentru un stator cu 12 sloturi, numărul de poli obișnuit este de 8 poli (12N8P), 10 poli (12N10P) sau 14 poli (12N14P). Fiecare pol este un magnet separat cu segment de arc, legat de carcasa rotorului cu adeziv structural (de obicei, un epoxidic la temperatură ridicată, 150 de grade Celsius sau mai sus).
5. Pasul 5: Montați senzori cu efect Hall. Trei senzori cu efect Hall sunt poziționați pe corpul statorului la 120 de grade electrice una de alta (pentru un motor cu 4 poli, distanța fizică este de 60 de grade mecanice; pentru un motor cu 8 poli, este de 30 de grade mecanice). Senzorii detectează câmpul magnetic al magneților rotorului pe măsură ce trec, generând semnale digitale (înalte sau scăzute) a căror combinație codifică poziția rotorului în 6 stări distincte pe revoluție electrică. Aceste semnale sunt conectate la controler printr-un cablaj cu 5 fire (masă comună, alimentare de 5 V și trei linii de semnal).
6. Pasul 6: Asamblați carcasa mecanică. Statorul este presat într-o carcasă de susținere a arborelui central sau înșurubat. Carcasa rotorului este montată pe rulmenți de precizie (de obicei doi rulmenți cu bile adânci ecranați) care îi permit să se rotească fără probleme în jurul statorului. Preîncărcarea și alinierea rulmentului sunt critice pentru o funcționare silențioasă și o durată lungă de viață; preîncărcarea excesivă cauzează uzura rapidă a rulmentului, în timp ce preîncărcarea insuficientă permite jocul axial care creează vibrații și zgomot.
7. Pasul 7: Construiți și conectați controlerul BLDC. Controlerul de punte trifazat (fie un circuit discret construit cu MOSFET, drivere de poartă și un microcontroler, fie un controler IC integrat BLDC, cum ar fi Allegro A4960, Texas Instruments DRV8305 sau STMicroelectronics L6234) este conectat la cele trei fire de fază ale motorului și la semnalele senzorului Hall. Controlerul interpretează stările senzorului Hall și comută MOSFET-urile în secvența de comutare în șase trepte pentru a conduce motorul. Frecvența PWM este de obicei setată la 16 până la 32 kHz pentru comutare silențioasă inaudibilă.

Parametri cheie de proiectare la construirea unui motor BLDC

Când proiectați sau construiți un motor BLDC de la zero, următorii parametri trebuie să fie calculați și echilibrați unul față de celălalt:

Evaluarea Kv: înțelegerea constantei vitezei

Kv (constanta de viteză) este cea mai importantă specificație unică pentru caracterizarea caracteristicilor de viteză și cuplu ale unui motor BLDC. Kv este definit ca numărul de rotații pe minut (RPM) pe care le rotește motorul pentru fiecare volt aplicat la bornele motorului atunci când funcționează fără sarcină. Un motor cu un Kv de 500 RPM/V funcționează la 5.000 RPM atunci când este alimentat cu 10 volți (neîncărcat). Un motor cu un Kv de 100 RPM/V rulează la doar 1.000 rpm la 10 volți, dar generează proporțional mai mult cuplu.

Pentru un motor Air Cooler BLDC care funcționează direct de la o sursă de 230 V AC (rectificat la aproximativ 325 V DC de vârf sau reglat la o tensiune DC mai scăzută printr-o sursă de alimentare), Kv trebuie să fie ales astfel încât motorul să funcționeze la viteza țintă a ventilatorului la tensiunea disponibilă. O viteză a ventilatorului de 350 RPM de la o sursă reglată de 24 V DC necesită un Kv de aproximativ 350 împărțit la 24, sau aproximativ 15 RPM/V , care se realizează prin utilizarea mai multor spire de înfășurare și este caracteristică motoarelor de ventilatoare cu rotor exterior cu cuplu mare și viteză mică.

Motorul BLDC al răcitorului de aer: de ce tehnologia BLDC înlocuiește motoarele cu inducție a condensatorului din răcitoarele de aer

The Motor răcitor de aer BLDC reprezintă o actualizare tehnologică semnificativă de la motoarele de inducție monofazate cu condensator, care au dominat piața de răcire cu aer evaporativ rezidențial și comercial timp de decenii. Înțelegerea de ce are loc această tranziție necesită compararea celor două tehnologii în fiecare dimensiune relevantă a performanței.

Economii de energie: Cazul financiar pentru trecerea la un motor BLDC pentru răcitor de aer

Economiile de energie din înlocuirea unui motor cu inducție convențional cu un motor Air Cooler BLDC sunt substanțiale și produc reduceri semnificative ale facturilor de energie electrică pe durata de viață a motorului. Un calcul tipic:

• Consumul de putere convențional al motorului: 75 wați continuu în timpul funcționării de răcire
• Consumul de putere al motorului BLDC: 30 de wați pentru un flux de aer echivalent
• Timp de funcționare zilnic: 10 ore (utilizare tipică pe vreme caldă)
• Economie de energie pe zi: (75 minus 30) wați x 10 ore = 0,45 kWh pe zi
• Economie sezonieră (5 luni): 0,45 kWh x 150 zile = 67,5 kWh pe sezon
• Economie de cost la 0,15 USD/kWh: aproximativ 10,00 USD pe sezon per frigider . Pentru o casă cu 3 răcitoare de aer care funcționează pe timpul verii, economiile anuale totale sunt de aproximativ 30 USD pe an numai în electricitate.

Pe piețele cu tarife mai mari la energie electrică (Europa, Marea Britanie, părți ale Asiei) sau în aplicații comerciale cu multe răcitoare de aer care funcționează mai multe ore, cazul economic pentru motorul Air Cooler BLDC este și mai puternic. O fabrică cu 20 de răcitoare de aer care funcționează 16 ore pe zi economisește aproximativ 4.320 kWh pe sezon din același upgrade tehnologic, reprezentând o reducere semnificativă a costurilor de operare.

Răcitor de aer BLDC Specificații electrice și cerințe de alimentare

Răcitor de aer Unitățile de motor BLDC pentru răcitoare de aer rezidențiale sunt disponibile în două configurații electrice principale:

• Modul motor BLDC de intrare AC: Motorul și placa sa de control dedicată sunt vândute ca un ansamblu integrat care se conectează direct la sursa de alimentare de 230 V AC (sau 120 V AC în America de Nord). Secțiunea de alimentare a controlerului convertește AC în tensiunea magistralei DC internă (de obicei 12V la 48V DC) care antrenează motorul BLDC. Utilizatorul conectează pur și simplu sursa de 230 V AC și primește o ieșire completă a motorului cu viteză variabilă. Aceste module sunt cel mai simplu de adaptat în carcasele de răcire cu aer existente și sunt cel mai comun format pe piața de retail și OEM.
• Motor BLDC de intrare DC: Motorul necesită o sursă de alimentare CC separată (de obicei 12V, 24V sau 48V CC). Această configurație este utilizată în răcitoarele de aer alimentate cu energie solară, unde sursa de curent continuu provine direct de la panouri fotovoltaice sau un banc de baterii și în aplicațiile în care magistrala de curent continuu este deja disponibilă dintr-un sistem de alimentare existent. A Motor de răcire a aerului BLDC de 24 V DC cu o putere de 30 până la 50 wați este cea mai comună specificație pentru răcitoarele evaporative alimentate cu energie solară în aplicații rurale și agricole în afara rețelei.

Motor extern al răcitorului de aer BLDC: principiile de proiectare a rotorului exterior și integrarea ventilatorului

Motorul extern de răcire cu aer BLDC (motor BLDC cu rotor exterior sau cu rotor extern) este arhitectura optimă a motorului pentru aplicațiile ventilatoare cu antrenare directă, iar adoptarea sa în industria răcitoarelor de aer reprezintă nu doar o îmbunătățire a eficienței energetice, ci o simplificare mecanică fundamentală. Într-un design cu rotor exterior, rotorul cu magnet permanent este un ansamblu în formă de clopot sau în formă de cupă care se rotește în jurul exteriorului statorului staționar. Paletele ventilatorului sunt atașate direct pe fața exterioară a clopotului rotorului, transformând motorul și ventilatorul într-un singur ansamblu rotativ integrat.

Cum să faci un motor extern de răcire a aerului BLDC: detalii de construcție

Construirea unui motor extern de răcire a aerului BLDC din componente diferă de construcția rotorului interior în mai multe moduri importante. Următoarele detalii acoperă diferențele și provocările specifice ale construcției rotorului exterior:

• Geometria statorului pentru configurația rotorului exterior: Într-un motor cu rotor exterior, dinții statorului sunt îndreptați radial spre exterior și nu spre interior. Laminările statorului au un orificiu central pentru suportul arborelui și dinți orientați spre exterior pe care bobinele sunt înfășurate. Procesul de înfășurare este puțin mai dificil pentru statoarele cu rotor exterior, deoarece dinții sunt îndreptați departe de centru și bobinele trebuie înfășurate în jurul fiecărui dinte individual, mai degrabă decât să fie introduse în fante ca în modelele cu rotor interior. În producție se folosesc mașini automate de bobinat; înfășurarea manuală necesită un mic dispozitiv de înfășurare a bobinei pentru fiecare dinte.
• Construcția clopotului rotorului: Clopotul (sau cupa) rotorului pentru un motor extern de răcire a aerului BLDC este de obicei o carcasă de oțel ambutisat adânc, deși în unele modele cu costuri reduse sunt folosite piese turnate din aluminiu sau plastic la temperatură înaltă turnat prin injecție cu inserții din oțel. Circumferința interioară a clopotului trebuie prelucrată la o dimensiune precisă a alezajului cilindric care stabilește spațiul de aer (spațiul dintre suprafața interioară a magneților și vârfurile exterioare ale dinților statorului). Acest spațiu de aer trebuie să fie 0,3 până la 0,8 mm pentru un motor mic tipic de răcire a aerului, întreținut cu precizie pe întreaga circumferință pentru a preveni tracțiunea magnetică neuniformă care ar provoca vibrații.
• Lipirea magnetică în clopotul rotorului: Magneții permanenți cu segment de arc (de obicei NdFeB sinterizat de calitate N42 până la N48 pentru motoarele de performanță sau ferită dură pentru motoarele de răcire cu cost optimizat) sunt lipite de peretele interior al clopotului rotorului cu epoxid structural. Înainte de lipire, magneții trebuie aranjați în modelul corect de polaritate (alternant N-S) și ținuți într-un dispozitiv de fixare în timp ce adezivul se întărește. Un inel de reținere din oțel inoxidabil nemagnetic sau bandă armată cu fibră de sticlă este înfășurat în jurul exteriorului clopotului rotorului după lipirea magnetului pentru a asigura reținerea mecanică împotriva forței centrifuge care acționează asupra magneților la viteza maximă de funcționare.
• Integrarea palelor ventilatorului: Ansamblul palelor ventilatorului al răcitorului de aer (de obicei un ventilator axial cu mai multe pale sau un ventilator cu palete, în funcție de designul răcitorului) este atașat la fața exterioară a clopotului rotorului. În unitățile cu motor extern de răcire a aerului BLDC construite din fabrică, paletele ventilatorului sunt turnate direct sau turnate ca parte a turnării clopotului rotorului, creând o singură piesă care servește atât ca rotor, cât și ca rotor al ventilatorului. În modelele de modernizare sau modulare, butucul ventilatorului se atașează la clopotul rotorului prin flanșe cu șuruburi sau o interfață spline, cu diametrul și pasul cercului șuruburilor potrivite cu specificațiile specifice butucului ventilatorului.
• Alegerea rulmenților pentru medii umede: Răcitoarele de aer funcționează în condiții umede prin proiectare (mecanismul de răcire implică evaporarea apei din plăcuțele umede). Un motor extern al răcitorului de aer BLDC este expus acestui mediu umed și poate fi, de asemenea, supus stropilor de apă din sistemul de distribuție a apei. Rulmenții pentru motoarele BLDC de răcire a aerului ar trebui să fie Rulmenți etanșați de tip 2RS (etanșări din cauciuc pe ambele părți) cu un umplut cu grăsime care inhibă rugină pentru funcționare în condiții umede. Acești rulmenți etanșați împiedică pătrunderea umezelii în calea rulmentului și mențin lubrifierea chiar și după ani de funcționare în medii umede, fără a necesita lubrifiere.

Specificații motorului răcitorului de aer extern BLDC în funcție de dimensiunea răcitorului

Specificațiile motorului răcitorului de aer extern BLDC se potrivesc în primul rând cu capacitatea de debit de aer a răcitorului de aer, măsurată în metri cubi pe oră (m3/h) sau picioare cubi pe minut (CFM). Următorul tabel prezintă specificațiile tipice ale motorului pentru diferite dimensiuni de răcitor:

Controler de motor BLDC: creierul electronic din spatele funcționării fără perii

Nicio discuție despre modul de realizare a unui sistem de motor BLDC nu este completă fără a se adresa controlerului, deoarece un motor BLDC nu poate funcționa fără circuitul său de comutație electronică. Motorul și controlerul sunt codependenți: performanța motorului în funcționare este în întregime determinată de calitatea, sofisticarea și potrivirea controlerului cu motorul.

Comutație în șase pași: secvența operațională de bază

Controlerul standard de motor BLDC funcționează pe comutație în șase trepte (sau trapezoidală). În orice moment în timpul funcționării motorului, două dintre cele trei înfășurări sunt sub tensiune, iar a treia este lăsată plutitoare. Secvența în șase pași funcționează după cum urmează:

1. Pasul 1: Faza A pozitivă, Faza B negativă, Faza C plutitoare. Curentul curge de la A la B prin stator, creând o forță magnetică care atrage cel mai apropiat pol magnet al rotorului către spațiul dinților energizat.
2. Pasul 2: Faza A pozitivă, Faza B plutitoare, Faza C negativă. Senzorul Hall detectează că rotorul s-a mutat în următoarea poziție și controlerul comută la această nouă combinație de fază, avansând câmpul magnetic rotativ cu 60 de grade electrice.
3. Pașii de la 3 la 6: Modelul continuă prin celelalte patru combinații de fază: B pozitiv/C negativ, B pozitiv/A negativ, C pozitiv/A negativ și C pozitiv/B negativ. Fiecare pas avansează câmpul rotativ cu 60 de grade electrice și șase pași completează o revoluție electrică completă (care corespunde unei revoluții mecanice complete împărțite la numărul de perechi de poli).

Această secvență în șase pași se repetă la o rată egală cu frecvența electrică a motorului. Un motor cu 8 poli (4 perechi de poli) care se rotește la 750 RPM are o frecvență electrică de 750 RPM x 4 perechi împărțit la 60 de secunde = 50 Hz . Controlerul comută stările de comutare la De 6 ori această frecvență sau de 300 de ori pe secundă , pe care microcontrolerul din interiorul driverului BLDC îl manevrează cu ușurință.

Comutație sinusoidală vs. șase pași: netezime și reducere a zgomotului

Pentru aplicațiile de răcire cu aer în care funcționarea silențioasă este o prioritate ridicată, comutația sinusoidală (control orientat pe câmp, FOC) oferă o îmbunătățire semnificativă față de comutația de bază în șase trepte. În loc să comute brusc între combinații de faze discrete, controlul sinusoidal aplică simultan curenți de undă sinusoidală care variază ușor la toate cele trei faze, producând un câmp magnetic în rotație continuă, mai degrabă decât unul în trepte. Rezultatul este reducerea dramatică a ondulației cuplului și a zgomotului motorului.

Un controler de motor premium Air Cooler BLDC care implementează controlul FOC sinusoidal reduce de obicei zgomotul audibil al motorului prin 5 până la 15 dB(A) în comparație cu un controler în șase trepte care conduce același motor, ceea ce este o diferență foarte semnificativă, având în vedere că o reducere de 10 dB este percepută ca fiind aproximativ jumătate mai puternică. Pentru răcitoarele de aer pentru dormitor sau pentru birourile unde sensibilitatea la zgomot este cea mai mare, un controler sinusoidal este recomandat cu tărie, chiar dacă costă ceva mai mult decât un simplu driver în șase trepte.

Selectarea și instalarea unui motor BLDC de răcire a aerului: îndrumări practice pentru OEM și reparatori

Indiferent dacă sunteți un producător de echipamente originale (OEM) pentru răcitoare de aer, care specifică motoare pentru o nouă linie de produse sau un utilizator final care adaptează un răcitor de aer existent cu un motor extern de răcire cu aer BLDC pentru a reduce consumul de energie, următoarele îndrumări practice acoperă considerentele cheie de selecție și instalare.

Potrivirea puterii motorului cu cerința de flux de aer a răcitorului

Puterea motorului trebuie să fie suficientă pentru a conduce ventilatorul la debitul de aer necesar împotriva rezistenței la presiune statică a sistemului (rezistența plăcuțelor umede, a conductelor și a altor restricții ale fluxului de aer). Pentru un răcitor de aer rezidențial prin evaporare, rezistența totală tipică a sistemului este 5 până la 20 Pascal , iar ventilatorul trebuie să depășească această rezistență furnizând în același timp fluxul de aer necesar.

Ca ghid practic de dimensionare: pentru fiecare 1.000 m3/h de debit de aer necesar față de presiunea statică totală de 10 Pascal, motorul necesită aproximativ 5 până la 8 wați de putere la arbore . Împărțirea la randamentul motorului (de obicei 85 până la 90% pentru un motor BLDC de calitate) oferă puterea electrică de intrare necesară. Un răcitor de 3.000 m3/h față de 15 Pascal necesită aproximativ 45 până la 72 de wați de putere, ceea ce înseamnă o Motor BLDC de 50 până la 80 wați este adecvat atunci când se ține seama de eficiența motorului.

Lista de verificare a instalării pentru modernizarea motorului răcitorului de aer BLDC extern

La montarea ulterioară a unui răcitor de aer existent cu un motor extern al răcitorului de aer BLDC, verificați următoarele înainte de a comanda motorul de schimb:

• Diametrul butucului ventilatorului și cercul șuruburilor: Măsurați cu precizie interfața de atașare a butucului ventilatorului existent. Flanșa clopotului rotorului motorului BLDC trebuie să se potrivească cu diametrul cercului șuruburilor butucului ventilatorului și cu distanța dintre șuruburi, sau trebuie să obțineți o placă adaptoare compatibilă.
• Interfata de montare a motorului: Măsurați dimensiunile suportului de montare al motorului existent (modelul găurilor de montare, diametrul arborelui, dacă este cazul). Carcasa statorului motorului BLDC trebuie să se potrivească cu suportul existent sau trebuie fabricat un suport adaptor.
• Adâncimea de instalare disponibilă: Măsurați adâncimea axială disponibilă în carcasa ventilatorului de la planul palelor ventilatorului până la peretele din spate al carcasei. Dimensiunea axială a motorului BLDC (înălțimea stivei plus adâncimea clopotului rotorului) trebuie să se încadreze în acest spațiu cu cel puțin 10 mm degajare spre peretele din spate.
• Direcția de rotație: Confirmați direcția de rotație necesară a ventilatorului (în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic când este privit din față). Motoarele BLDC pot fi inversate prin schimbarea oricărui doi dintre cablurile trifazate sau printr-un parametru de configurare din firmware-ul controlerului. Asigurați-vă că motorul de schimb și controlerul suportă inversarea direcției dacă răcitorul original are o funcție de inversare.
• Conexiune electrica la retea: Intrarea AC a modulului motor BLDC trebuie să fie conectată cu împământare corespunzătoare, cu secțiunea transversală a cablului adecvată curentului nominal al motorului și cu un întrerupător de circuit în amonte clasificat corespunzător. Pentru motoarele sub 100 wați, un întrerupător miniatural de 6 amperi este standard; pentru motoarele comerciale mai mari de până la 500 de wați, este potrivit un MCB de 10 amperi.

Întrebări frecvente despre motoarele BLDC și aplicațiile pentru răcitoare de aer