هنگامی که مهندسان با چالش طراحی تجهیزات الکتریکی برای انجام وظایف مکانیکی مواجه می شوند، ممکن است به این فکر کنند که سیگنال های الکتریکی چگونه به انرژی تبدیل می شوند. بنابراین محرک ها و موتورها از جمله وسایلی هستند که سیگنال های الکتریکی را به حرکت تبدیل می کنند. موتورها انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی مبادله می کنند.

ساده ترین نوع موتور، موتور DC برس دار است. در این نوع موتورها، جریان الکتریکی از سیم پیچ هایی عبور می کند که در یک میدان مغناطیسی ثابت قرار گرفته اند. جریان باعث ایجاد میدان های مغناطیسی در سیم پیچ ها می شود. این باعث می شود مجموعه سیم پیچ بچرخد، زیرا هر سیم پیچ از قطب مشابه دور شده و به سمت قطب غیرمشابه میدان ثابت کشیده می شود. برای حفظ چرخش، لازم است که به طور مداوم جریان را معکوس کنیم - به طوری که قطب های سیم پیچ به طور مداوم تغییر می کنند و باعث می شود سیم پیچ ها به دنبال کردن قطب های ثابت بر خلاف آن ادامه دهند. برق سیم پیچ ها از طریق برس های رسانای ثابتی که با یک کموتاتور چرخان تماس برقرار می کنند، تامین می شود. این چرخش کموتاتور است که باعث معکوس شدن جریان از طریق سیم پیچ ها می شود. کموتاتور و برس ها اجزای کلیدی هستند که موتور DC برس خورده را از سایر انواع موتور متمایز می کنند. شکل 1 اصل کلی موتور برس خورده را نشان می دهد.

شکل 1: عملکرد موتور DC Brushed.

برس های ثابت انرژی الکتریکی را به کموتاتور چرخان تامین می کنند. همانطور که کموتاتور می چرخد، به طور مداوم جهت جریان را به داخل سیم پیچ ها می چرخاند و قطبیت سیم پیچ ها را معکوس می کند تا سیم پیچ ها چرخش به سمت راست را حفظ کنند. کموتاتور می چرخد ​​زیرا به روتوری که سیم پیچ ها روی آن نصب شده است متصل است.

همانطور که از نام آنها پیداست، موتورهای DC بدون جاروبک از برس استفاده نمی کنند. با موتورهای برس، برس ها جریان را از طریق کموتاتور به سیم پیچ های روتور می رسانند. بنابراین چگونه یک موتور براشلس جریان را به سیم پیچ های روتور منتقل می کند؟ اینطور نیست - زیرا سیم پیچ ها روی روتور قرار ندارند. در عوض، روتور یک آهنربای دائمی است. سیم پیچ ها نمی چرخند، بلکه در جای خود روی استاتور ثابت می شوند. چون کویل ها حرکت نمی کنند نیازی به برس و کموتاتور نیست. (شکل 3 را ببینید.)

با موتور برس، چرخش با کنترل میدان های مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ های روی روتور به دست می آید، در حالی که میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنرباهای ثابت ثابت می ماند. برای تغییر سرعت چرخش، ولتاژ سیم پیچ ها را تغییر می دهید. با موتور BLDC، آهنربای دائمی است که می چرخد. چرخش با تغییر جهت میدان های مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ های ثابت اطراف حاصل می شود. برای کنترل چرخش، مقدار و جهت جریان را در این سیم پیچ ها تنظیم می کنید.

از آنجایی که روتور یک آهنربای دائمی است، نیازی به جریان ندارد و نیاز به برس و کموتاتور را از بین می برد. جریان به سیم پیچ های ثابت از خارج کنترل می شود.

یک موتور BLDC با سه سیم پیچ روی استاتور دارای شش سیم الکتریکی (دو تا به هر سیم پیچ) است که از این سیم پیچ ها امتداد می یابد. در بیشتر اجراها، سه سیم از این سیم‌ها به صورت داخلی متصل می‌شوند، و سه سیم باقی‌مانده از بدنه موتور خارج می‌شوند (بر خلاف دو سیمی که از موتور برس‌کشی شده که قبلاً توضیح داده شد) امتداد می‌یابند. سیم کشی در جعبه موتور BLDC پیچیده تر از اتصال ساده ترمینال های مثبت و منفی سلول قدرت است. در جلسه دوم این سری به نحوه عملکرد این موتورها با دقت بیشتری نگاه خواهیم کرد. در زیر، با نگاهی به مزایای موتورهای BLDC نتیجه گیری می کنیم.

یک مزیت بزرگ کارایی است، زیرا این موتورها می توانند به طور مداوم در حداکثر نیروی چرخشی (گشتاور) کنترل کنند. در مقابل، موتورهای برس خورده تنها در نقاط خاصی از چرخش به حداکثر گشتاور می رسند. برای اینکه یک موتور برس خورده بتواند همان گشتاور مدل بدون جاروبک را ارائه دهد، باید از آهنرباهای بزرگتری استفاده کند. به همین دلیل است که حتی موتورهای کوچک BLDC نیز می توانند قدرت قابل توجهی ارائه دهند.

دومین مزیت بزرگ – مربوط به مزیت اول – قابلیت کنترل است. موتورهای BLDC را می توان با استفاده از مکانیسم های بازخورد کنترل کرد تا گشتاور و سرعت چرخش مورد نظر را به طور دقیق تحویل دهد. کنترل دقیق به نوبه خود مصرف انرژی و تولید گرما را کاهش می دهد و - در مواردی که موتورها با باتری کار می کنند - عمر باتری را افزایش می دهد.

موتورهای BLDC نیز به دلیل نداشتن برس، دوام بالا و تولید صدای الکتریکی کم را ارائه می دهند. در موتورهای برس خورده، برس ها و کموتاتور در نتیجه تماس متوالی متحرک فرسوده می شوند و همچنین در جایی که تماس ایجاد می شود، جرقه ایجاد می کنند. سر و صدای الکتریکی، به ویژه، نتیجه جرقه های قوی است که در مناطقی که برس ها از شکاف های کموتاتور عبور می کنند، رخ می دهد. به همین دلیل است که موتورهای BLDC اغلب در کاربردهایی که اجتناب از نویز الکتریکی مهم است، ترجیح داده می شوند.

ما دیده ایم که موتورهای BLDC کارایی و قابلیت کنترل بالایی دارند و عمر کاری طولانی دارند. پس برای چه کاری خوب هستند؟ به دلیل کارایی و طول عمر زیاد، در دستگاه هایی که به طور مداوم کار می کنند، بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. آنها برای مدت طولانی در ماشین های لباسشویی، تهویه مطبوع و سایر لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می شوند. و اخیراً در فن ها ظاهر می شوند که راندمان بالای آنها به کاهش قابل توجه مصرف برق کمک کرده است.

آنها همچنین برای رانندگی ماشین های خلاء استفاده می شوند. در یک مورد، تغییر در برنامه کنترل منجر به یک جهش بزرگ در سرعت چرخش شد - نمونه ای از قابلیت کنترل عالی ارائه شده توسط این موتورها.

موتورهای BLDC همچنین برای چرخاندن دیسک‌های سخت استفاده می‌شوند، جایی که دوام آنها باعث می‌شود درایوها در درازمدت به طور قابل اعتمادی کار کنند، در حالی که راندمان انرژی آنها به کاهش انرژی در منطقه‌ای که اهمیت فزاینده‌ای دارد کمک می‌کند.

می‌توان انتظار داشت که در آینده شاهد استفاده از موتورهای BLDC در طیف وسیع‌تری از کاربردها باشیم. برای مثال، احتمالاً به طور گسترده برای هدایت ربات‌های خدماتی مورد استفاده قرار خواهند گرفت - روبات‌های کوچکی که خدماتی را در زمینه‌هایی غیر از تولید ارائه می‌کنند. ممکن است تصور شود که موتورهای پله ای در این نوع کاربردها مناسب تر هستند، جایی که از پالس ها می توان برای کنترل دقیق موقعیت استفاده کرد. اما موتورهای BLDC برای کنترل نیرو مناسب تر هستند. و با یک موتور پله ای، نگه داشتن موقعیت ساختاری مانند بازوی ربات به جریان نسبتاً زیاد و پیوسته ای نیاز دارد. با یک موتور BLDC، تنها چیزی که مورد نیاز است یک جریان متناسب با نیروی خارجی است که امکان کنترل کارآمدتر قدرت را فراهم می کند. موتورهای BLDC همچنین ممکن است جایگزین موتورهای dc ساده برس خورده در چرخ دستی های گلف و چرخ دستی شوند. موتورهای BLDC علاوه بر کارایی بهتر، می توانند کنترل دقیق تری را نیز ارائه دهند که به نوبه خود می تواند عمر باتری را بیشتر کند.

موتورهای BLDC برای هواپیماهای بدون سرنشین نیز ایده آل هستند. توانایی آنها در ارائه کنترل دقیق آنها را به ویژه برای پهپادهای چند روتوری مناسب می کند، جایی که وضعیت پهپاد با کنترل دقیق سرعت چرخش هر روتور کنترل می شود.

در این جلسه، ما دیدیم که چگونه موتورهای BLDC کارایی، کنترل و طول عمر عالی را ارائه می دهند. اما کنترل دقیق و مناسب برای استفاده کامل از پتانسیل این موتورها ضروری است. در جلسه بعدی به نحوه کار این موتورها خواهیم پرداخت.