Când inginerii se confruntă cu provocarea de a proiecta echipamente electrice pentru a îndeplini sarcini mecanice, s-ar putea gândi la modul în care semnalele electrice sunt convertite în energie. Deci, actuatoarele și motoarele sunt printre dispozitivele care convertesc semnalele electrice în mișcare. Motoarele schimbă energie electrică cu energie mecanică.

Cel mai simplu tip de motor este motorul cu perii de curent continuu. În acest tip de motor, curentul electric este trecut prin bobine care sunt dispuse într-un câmp magnetic fix. Curentul generează câmpuri magnetice în bobine; aceasta face ca ansamblul bobinei să se rotească, deoarece fiecare bobină este împinsă departe de stâlpul similar și trasă spre polul diferit al câmpului fix. Pentru a menține rotația, este necesar să inversați continuu curentul, astfel încât polaritățile bobinei să se răstoarne continuu, determinând ca bobinele să continue să „furănească” polii fiși diferiți. Alimentarea bobinelor este furnizată prin perii conductoare fixe care intră în contact cu un comutator rotativ; rotirea comutatorului este cea care provoacă inversarea curentului prin bobine. Comutatorul și periile sunt componentele cheie care disting motorul DC cu perii de alte tipuri de motoare. Figura 1 ilustrează principiul general al motorului cu perii.

Figura 1: Funcționarea motorului DC cu perii.

Periile fixe furnizează energie electrică comutatorului rotativ. Pe măsură ce comutatorul se rotește, inversează continuu direcția curentului în bobine, inversând polaritățile bobinei, astfel încât bobinele să mențină rotația spre dreapta. Comutatorul se rotește deoarece este atașat la rotorul pe care sunt montate bobinele.

După cum sugerează și numele lor, motoarele de curent continuu fără perii nu folosesc perii. La motoarele cu perii, periile furnizează curent prin comutator în bobinele de pe rotor. Deci, cum trece un motor fără perii curent către bobinele rotorului? Nu - pentru că bobinele nu sunt amplasate pe rotor. În schimb, rotorul este un magnet permanent; bobinele nu se rotesc, ci sunt fixate în loc pe stator. Deoarece bobinele nu se mișcă, nu este nevoie de perii și de un comutator. (Vezi figura 3.)

Cu motorul cu perii, rotația se realizează prin controlul câmpurilor magnetice generate de bobinele de pe rotor, în timp ce câmpul magnetic generat de magneții staționari rămâne fix. Pentru a schimba viteza de rotație, schimbați tensiunea pentru bobine. Cu un motor BLDC, este magnetul permanent care se rotește; rotația se realizează prin schimbarea direcției câmpurilor magnetice generate de bobinele staționare din jur. Pentru a controla rotația, ajustați mărimea și direcția curentului în aceste bobine.

Deoarece rotorul este un magnet permanent, nu are nevoie de curent, eliminând nevoia de perii și comutator. Curentul către bobinele fixe este controlat din exterior.

Un motor BLDC cu trei bobine pe stator va avea șase fire electrice (două la fiecare bobină) care se extind din aceste bobine. În majoritatea implementărilor, trei dintre aceste fire vor fi conectate intern, cele trei fire rămase se extind din corpul motorului (spre deosebire de cele două fire care se extind de la motorul cu perie descris mai devreme). Cablarea în carcasa motorului BLDC este mai complicată decât simpla conectare a bornelor pozitive și negative ale celulei de putere; ne vom uita mai atent la modul în care funcționează aceste motoare în a doua sesiune a acestei serii. Mai jos, încheiem analizând avantajele motoarelor BLDC.

Un mare avantaj este eficiența, deoarece aceste motoare pot controla continuu la forța de rotație maximă (cuplul). În schimb, motoarele cu perii ating cuplul maxim doar în anumite puncte ale rotației. Pentru ca un motor cu perii să livreze același cuplu ca un model fără perii, ar trebui să folosească magneți mai mari. Acesta este motivul pentru care chiar și motoarele BLDC mici pot furniza o putere considerabilă.

Al doilea mare avantaj – legat de primul – este controlabilitatea. Motoarele BLDC pot fi controlate, folosind mecanisme de feedback, pentru a furniza exact cuplul și viteza de rotație dorite. Controlul de precizie reduce, la rândul său, consumul de energie și generarea de căldură și, în cazurile în care motoarele sunt alimentate de la baterie, prelungește durata de viață a bateriei.

Motoarele BLDC oferă, de asemenea, durabilitate ridicată și generare redusă de zgomot electric, datorită lipsei periilor. În cazul motoarelor cu perii, periile și comutatorul se uzează ca urmare a contactului în mișcare continuă și, de asemenea, produc scântei acolo unde are loc contactul. Zgomotul electric, în special, este rezultatul scânteilor puternice care tind să apară în zonele în care periile trec peste golurile din comutator. Acesta este motivul pentru care motoarele BLDC sunt adesea considerate preferabile în aplicațiile în care este important să se evite zgomotul electric.

Am văzut că motoarele BLDC oferă eficiență și controlabilitate ridicate și că au o durată de viață lungă. Deci la ce sunt bune? Datorită eficienței și longevității lor, sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele care funcționează continuu. Ele au fost folosite de mult timp în mașini de spălat, aparate de aer condiționat și alte produse electronice de larg consum; iar mai nou apar în ventilatoare, unde randamentul lor ridicat a contribuit la o reducere semnificativă a consumului de energie.

De asemenea, sunt folosite pentru a conduce mașini de vid. Într-un caz, o schimbare a programului de control a dus la un salt mare în viteza de rotație - un exemplu de controlabilitate superlativă oferită de aceste motoare.

Motoarele BLDC sunt, de asemenea, folosite pentru a învârti unitățile de hard disk, unde durabilitatea lor menține unitățile să funcționeze în mod fiabil pe termen lung, în timp ce eficiența lor energetică contribuie la reducerea energiei într-o zonă în care acest lucru devine din ce în ce mai important.

Ne putem aștepta să vedem motoarele BLDC utilizate într-o gamă mai largă de aplicații în viitor. De exemplu, ei vor fi probabil folosiți pe scară largă pentru a conduce roboți de serviciu – roboți mici care furnizează servicii în alte domenii decât producția. S-ar putea crede că motoarele pas cu pas ar fi mai potrivite în acest tip de aplicație, unde impulsurile ar putea fi folosite pentru a controla cu precizie poziționarea. Dar motoarele BLDC sunt mai potrivite pentru a controla forța. Și cu un motor pas cu pas, menținerea poziției unei structuri precum un braț robot ar necesita un curent relativ mare și continuu. Cu un motor BLDC, tot ceea ce ar fi necesar este un curent proporțional cu forța externă - permițând un control mai eficient din punct de vedere energetic. Motoarele BLDC pot înlocui, de asemenea, motoarele simple cu perii de curent continuu în cărucioarele de golf și cărucioarele de mobilitate. Pe lângă eficiența lor mai bună, motoarele BLDC pot oferi, de asemenea, un control mai precis – care, la rândul său, poate prelungi și mai mult durata de viață a bateriei.

Motoarele BLDC sunt ideale și pentru drone. Capacitatea lor de a oferi un control de precizie le face deosebit de potrivite pentru dronele multirotor, unde atitudinea dronei este controlată prin controlul precis al vitezei de rotație a fiecărui rotor.

În această sesiune, am văzut cum motoarele BLDC oferă eficiență, controlabilitate și longevitate excelente. Dar un control atent și adecvat este esențial pentru a profita pe deplin de potențialul acestor motoare. În următoarea noastră sesiune, ne vom uita la modul în care funcționează aceste motoare.