כאשר מהנדסים מתמודדים עם האתגר של תכנון ציוד חשמלי לביצוע משימות מכניות, הם עשויים לחשוב כיצד אותות חשמליים מומרים לאנרגיה. אז מפעילים ומנועים הם בין המכשירים הממירים אותות חשמליים לתנועה. מנועים מחליפים אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית.

הסוג הפשוט ביותר של מנוע הוא מנוע DC מוברש. בסוג זה של מנוע, זרם חשמלי מועבר דרך סלילים המסודרים בתוך שדה מגנטי קבוע. הזרם יוצר שדות מגנטיים בסלילים; זה גורם למכלול הסליל להסתובב, כאשר כל סליל נדחק מהקוטב הדומה ונמשך לכיוון הקוטב השונה של השדה הקבוע. כדי לשמור על סיבוב, יש צורך להפוך ללא הרף את הזרם - כך שקוטביות הסליל יתהפכו ללא הרף, ויגרום לסלילים להמשיך "לרדוף" אחר הקטבים הקבועים השונה. הכוח לסלילים מסופק באמצעות מברשות מוליכות קבועות היוצרות מגע עם קומוטטור מסתובב; הסיבוב של הקומוטטור הוא שגורם להיפוך הזרם דרך הסלילים. הקומוטטור והמברשות הם מרכיבי המפתח המבדילים בין מנוע ה-DC המוברש לבין סוגי מנועים אחרים. איור 1 ממחיש את העיקרון הכללי של המנוע המוברש.

איור 1: פעולת מנוע ה-DC המוברש.

מברשות קבועות מספקות אנרגיה חשמלית לקומוטטור המסתובב. כשהקומוטטור מסתובב, הוא מהפך ללא הרף את כיוון הזרם לתוך הסלילים, הופך את קוטביות הסליל כך שהסלילים ישמרו על סיבוב ימינה. הקומוטטור מסתובב כי הוא מחובר לרוטור עליו מותקנים הסלילים.

כפי שהשם שלהם מרמז, מנועי DC ללא מברשות אינם משתמשים במברשות. עם מנועים מוברשים, המברשות מעבירות זרם דרך הקומוטטור לתוך הסלילים על הרוטור. אז איך מנוע ללא מברשות מעביר זרם לסלילי הרוטור? זה לא - כי הסלילים אינם ממוקמים על הרוטור. במקום זאת, הרוטור הוא מגנט קבוע; הסלילים אינם מסתובבים, אלא מקובעים במקומם על הסטטור. מכיוון שהסלילים אינם זזים, אין צורך במברשות ובקומוטטור. (ראה איור. 3.)

עם המנוע המוברש, הסיבוב מושג על ידי שליטה בשדות המגנטיים שנוצרים על ידי הסלילים על הרוטור, בעוד שהשדה המגנטי שנוצר על ידי המגנטים הנייחים נשאר קבוע. כדי לשנות את מהירות הסיבוב, אתה משנה את המתח של הסלילים. עם מנוע BLDC, זה המגנט הקבוע שמסתובב; הסיבוב מושג על ידי שינוי כיוון השדות המגנטיים הנוצרים על ידי הסלילים הנייחים שמסביב. כדי לשלוט בסיבוב, אתה מכוון את גודל וכיוון הזרם לתוך סלילים אלה.

מכיוון שהרוטור הוא מגנט קבוע, אין לו צורך בזרם, מה שמבטל את הצורך במברשות ובקומוטטור. זרם לסלילים הקבועים נשלט מבחוץ.

למנוע BLDC עם שלושה סלילים על הסטטור יהיו שישה חוטי חשמל (שניים לכל סליל) המשתרעים מהסלילים הללו. ברוב המימושים שלושה מהחוטים הללו יחוברו פנימית, כאשר שלושת החוטים הנותרים יימשכו מגוף המנוע (בניגוד לשני החוטים הנמשכים מהמנוע המוברש שתואר קודם לכן). החיווט במארז המנוע של BLDC מסובך יותר מאשר חיבור החיבורים החיוביים והשליליים של תא הכוח; אנו נסתכל מקרוב יותר כיצד פועלים המנועים הללו במפגש השני של הסדרה הזו. להלן, אנו מסכמים בהסתכלות על היתרונות של מנועי BLDC.

יתרון גדול אחד הוא היעילות, שכן מנועים אלו יכולים לשלוט ברציפות בכוח סיבובי (מומנט) מרבי. מנועים מוברשים, לעומת זאת, מגיעים למומנט המרבי רק בנקודות מסוימות בסיבוב. כדי שמנוע מוברש יספק את אותו מומנט כמו דגם ללא מברשות, הוא יצטרך להשתמש במגנטים גדולים יותר. זו הסיבה שאפילו מנועי BLDC קטנים יכולים לספק כוח רב.

היתרון הגדול השני - הקשור לראשון - הוא יכולת השליטה. ניתן לשלוט במנועי BLDC, באמצעות מנגנוני משוב, כדי לספק בדיוק את המומנט ומהירות הסיבוב הרצויים. בקרת דיוק בתורה מפחיתה את צריכת האנרגיה ויצירת חום, ובמקרים שבהם המנועים מופעלים על ידי סוללה - מאריכה את חיי הסוללה.

מנועי BLDC מציעים גם עמידות גבוהה וייצור רעש חשמלי נמוך, הודות להיעדר מברשות. עם מנועים מוברשים, המברשות והקומוטטור נשחקים כתוצאה ממגע נע מתמשך, ומייצרים גם ניצוצות במקום שבו נוצר מגע. רעש חשמלי, במיוחד, הוא תוצאה של ניצוצות חזקים הנוטים להתרחש באזורים שבהם המברשות עוברות על הפערים בקומוטטור. זו הסיבה שמנועי BLDC נחשבים לעתים קרובות עדיפים ביישומים שבהם חשוב להימנע מרעשים חשמליים.

ראינו שמנועי BLDC מציעים יעילות גבוהה ויכולת שליטה, ושיש להם חיי פעולה ארוכים. אז בשביל מה הם טובים? בגלל היעילות ואריכות החיים שלהם, הם נמצאים בשימוש נרחב במכשירים הפועלים ברציפות. הם שימשו זה מכבר במכונות כביסה, מזגנים ואלקטרוניקה אחרת; ולאחרונה, הם מופיעים במאווררים, שם היעילות הגבוהה שלהם תרמה להפחתה משמעותית בצריכת החשמל.

הם משמשים גם להנעת מכונות ואקום. במקרה אחד, שינוי בתוכנית הבקרה הביא לקפיצה גדולה במהירות הסיבוב - דוגמה ליכולת השליטה הסופרלטטיבית שמציעים מנועים אלה.

מנועי BLDC משמשים גם לסובב כונני דיסק קשיח, כאשר העמידות שלהם שומרת על הכוננים פועלים בצורה מהימנה לאורך זמן, בעוד שיעילות ההספק שלהם תורמת להפחתת אנרגיה באזור בו הדבר נהיה חשוב יותר ויותר.

אנו יכולים לצפות לראות מנועי BLDC בשימוש במגוון רחב יותר של יישומים בעתיד. לדוגמה, ככל הנראה הם ישמשו באופן נרחב להנעת רובוטים שירותים - רובוטים קטנים המספקים שירותים בתחומים אחרים מלבד ייצור. אפשר לחשוב שמנועי צעד יתאימו יותר בסוג זה של יישום, שבו ניתן להשתמש בפולסים כדי לשלוט במדויק על המיקום. אבל מנועי BLDC מתאימים יותר לשליטה בכוח. ועם מנוע צעד, החזקת מיקום של מבנה כמו זרוע רובוט תדרוש זרם גדול יחסית ומתמשך. עם מנוע BLDC, כל מה שנדרש הוא זרם פרופורציונלי לכוח החיצוני - מה שמאפשר שליטה יעילה יותר בצריכת החשמל. מנועי BLDC עשויים גם להחליף מנועי DC פשוטים מוברש בעגלות גולף ועגלות ניידות. בנוסף ליעילות הטובה יותר שלהם, מנועי BLDC יכולים גם לספק שליטה מדויקת יותר - אשר בתורה יכולה להאריך עוד יותר את חיי הסוללה.

מנועי BLDC אידיאליים גם לרחפנים. היכולת שלהם לספק שליטה מדויקת הופכת אותם למתאימים במיוחד עבור מל"טים מרובי רוטורים, כאשר יחס המל"ט נשלט על ידי שליטה מדויקת על מהירות הסיבוב של כל רוטור.

בפגישה זו ראינו כיצד מנועי BLDC מציעים יעילות מצוינת, יכולת שליטה ואריכות ימים. אבל שליטה זהירה ונכונה חיונית כדי לנצל את מלוא הפוטנציאל של המנועים הללו. בפגישה הבאה שלנו, נבחן כיצד פועלים המנועים הללו.