Hoe werkt een BLDC-motor: een gedetailleerde uitleg van de principes van borstelloze gelijkstroommotoren

In de afgelopen twee tot drie decennia is, dankzij de voortdurende vooruitgang van de elektronische technologie en permanente magneetmaterialen,BLDC-motorenzijn getransformeerd van nichemotoren naar reguliere stroomoplossingen voor verschillende industrieën.BLDC-motorenworden op grote schaal gebruikt in toepassingen, waaronder huishoudelijke apparaten, elektrisch gereedschap, elektrische voertuigen en industriële automatiseringsapparatuur vanwege hun hoge efficiëntie, hoge betrouwbaarheid en lange levensduur. Toch zijn de werkingsprincipes van BLDC-motoren bij veel mensen nog steeds niet bekend. In dit artikel wordt alles uitgelegd wat u moet weten over het werkingsprincipe van BLDC-motoren, zodat u een gedetailleerder beeld krijgt van deze ongelooflijke innovatie in de hedendaagse elektrotechniek.

De basisstructuur van een BLDC-motor

Voordat we op het werkingsprincipe ingaan, moeten we ons vertrouwd maken met de basisstructuur ervan:

Stator: Vastgemaakt in de motorbehuizing. Deze bestaat doorgaans uit gelamineerde platen van siliciumstaal en er zijn spoelen omheen gewikkeld om verschillende elektromagneetpolen te creëren.

Rotor: De rotor is meestal op de as gemonteerd en bevat permanente magneten. BLDC-motoren kunnen in verschillende varianten worden ingedeeld op basis van de verschillende configuraties van de permanente magneten.

Hall-sensoren: Voor het bepalen van de positie van de rotor en de terugkoppeling naar het elektronische regelsysteem.

Controller: Een elektronisch regelsysteem dat de timing bepaalt van de stroom die door de statorwikkelingen vloeit op basis van de feedback van de Hall-sensoren of andere feedbackmechanismen.

Het is vermeldenswaard dat de BLDC-motorstructuur van de buitenloper uniek is ten opzichte van de binnenrotorstructuur. De rotor bevindt zich buiten en de stator bevindt zich binnen. Dit type ontwerp komt vooral voor bij toepassingen die een hoog koppel vereisen, zoals bij de aandrijving van drone-propellers.

De principes van elektromagnetisme: de basis van BLDC-motorwerking

Twee basisprincipes van elektromagnetisme bepalen de werking van een BLDC-motor:

De wet van Ampere: Wanneer een stroomvoerende geleider zich in een magnetisch veld bevindt, wordt de geleider onderworpen aan een kracht. De stator van een BLDC-motor is gemaakt van opgerolde koperen wikkelingen, en nadat deze wikkelingen zijn bekrachtigd, creëren ze een magnetisch veld dat samenwerkt tussen de permanente magneten van de rotor om een ​​kracht te genereren die zorgt voor de mechanische beweging waarmee de rotor kan draaien.

De wet van Faraday van elektromagnetische inductie: een elektromotorische kracht wordt in een geleider geïnduceerd wanneer deze magnetische veldlijnen doorsnijdt of zich in een veranderend magnetisch veld bevindt. Het wordt veel gebruikt bij sensorloze besturing, waarbij de rotorpositie wordt gedetecteerd door het meten van de achterste elektromotorische krachten.

Deze principes worden toegepast bij het ontwerp van industriële borstelloze motoren. Ze bereiken dit door de stroom die door de statorwikkelingen vloeit nauwkeurig te regelen, waardoor gunstige elektromagnetische interacties met de permanente magneten van de rotor worden gegarandeerd om een ​​hoge efficiëntie en stabiliteit te bereiken.

Het commutatieproces van een BLDC-motor

Het belangrijkste werkingsmechanisme in de BLDC-motor wordt elektronische commutatie genoemd. Het is de belangrijkste onderscheidingsfactor tussen borstelloze motoren en traditionele borstelmotoren.

Principe van commutatie: Commutatie is het proces waarbij de richting van de stroom verandert met betrekking tot de spoelen van de motor, zodat er een continue elektromagnetische interactie kan bestaan ​​tussen de rotor en de stator, waardoor een continu koppel ontstaat.

Commutatie in zes stappen: De traditionele besturingsmethode van BLDC-motoren verdeelt de elektrische cyclus in zes stappen. Bij elke stap worden twee van de driefasige wikkelingen van stroom voorzien, terwijl één fase uitstaat.

Feedback van Hall-sensoren: Hall-sensoren detecteren de positie van de permanente magneten van de rotor, zodat de controller kan bepalen welke wikkeling moet worden geactiveerd en in welke richting de stroom stroomt.

Sensorloze regeling: Een meer geavanceerde methode is het bepalen van de positie van de rotor door de achterste elektromotorische kracht in de niet-bekrachtigde fase te monitoren. Er zijn geen Hall-sensoren nodig om deze complexe strategie te implementeren, wat resulteert in een grotere betrouwbaarheid van de aandrijving.

Grote BLDC-motoren gebruiken doorgaans complexere besturingsstrategieën, zoals sinusgolfaandrijving of vectorbesturing, om een ​​soepeler koppel en een hogere efficiëntie te bereiken.

De rol van de controller in een BLDC-motorsysteem

De BLDC-motor kan niet zelfstandig werken en moet worden gecombineerd met een gespecialiseerde elektronische controller:

De motoraansturing: Meestal een driefasige brugomvormer op basis van power-MOSFET of IGBT die het stroompad schakelt op basis van het stuursignaal

Microcontroller: ontvangt signalen van de positiesensor, voert besturingsalgoritmen uit en genereert PWM-signalen om de voedingsapparaten aan te sturen.

Gesloten-lusregeling: Biedt nauwkeurige snelheidsregeling of positieregeling op basis van de toepassingsbehoeften.

Veilige beveiligingsfunctie: overstroombeveiliging, bescherming tegen oververhitting, bescherming tegen onderspanning, enz.

Toepassingen voor 48V BLDC-motorsystemen zijn wijdverbreid in elektrische fietsen, kleine elektrische voertuigen en enkele andere industriële toepassingen. De controller- en verwerkingscircuits moeten omgaan met hogere spanningen en stromen en hebben meestal een complexere reeks prestatie- en beveiligingsfuncties.

De prestatiekenmerken en toepassingsscenario's van BLDC-motoren

Laten we nu eens kijken naar hun prestatievoordelen na het leren van de BLDC-motorbedieningsprincipes:

Hoog rendement: Door de afwezigheid van wrijvingsverliezen bij borstels en commutatoren ligt hun rendement doorgaans boven de 85%, in sommige gevallen zelfs boven de 95%.

Goede snelheids-koppelkarakteristieken: Biedt een breed koppelbereik.

Grotere levensduur: Zonder mechanische slijtage-elementen wordt de levensduur pas uiteindelijk beperkt door de lagers.

Verbeterde efficiëntie van de warmteafvoer: Direct contact tussen de statorwikkelingen en het motorhuis voor een effectievere warmteafvoer.

Weinig ruis en elektromagnetische interferentie: Er worden geen vonken en ruis gegenereerd door borstelcommutatie.

Vanwege zijn speciale structuur is de outrunner BLDC-motor beter in staat een hoger koppel te leveren bij lage snelheden, waardoor hij bijzonder geschikt is voor directe aandrijfsystemen, zoals drone-propellers en ventilatoren, enz. Met de voordelen van stabiliteit en duurzaamheid maakt de borstelloze motor hem tot de ideale voeding voor automatiseringsapparatuur en precisie-instrumenten.

De besturingsalgoritmen van BLDC-motoren

De meer ontwikkelde moderne BLDC-besturingstechnologie heeft deze eenvoudige zesstaps-commutatiemethode overtroffen:

Trapeziumvormige golfcontrole: De meest elementaire controlemethode is een trapeziumvormige stroomgolfvorm. Het is eenvoudig in de praktijk te brengen, maar produceert koppelrimpels met een aanzienlijke amplitude.

Sinusvormige regeling: het aandrijven van de motor door sinusvormige stroom, waardoor de koppelrimpel van de motor kan worden verminderd en de werking soepeler kan worden gemaakt.

Veldgeoriënteerde regeling (FOC): Door een wiskundige transformatie toe te passen, wordt de driefasige stroom vertaald naar het roterende coördinatensysteem voor regeling, wat leidt tot optimale koppelregeling en energie-efficiëntie.

Sensorfusietechnologie: integreert meerdere feedbacksignalen (bijvoorbeeld Hall-sensoren, encoders en stroombemonstering) voor een betere regelnauwkeurigheid en robuustheid.

Vanwege de uitdagingen bij toepassingen met hoog vermogen, zoals thermisch beheer, efficiëntie-optimalisatie en dynamische respons, worden doorgaans geavanceerdere besturingsalgoritmen gebruikt voor Big BLDC-motoren.

Conclusie: de werkingsprincipes en voordelen van BLDC-motoren

BLDC-motorenRegelt nauwkeurig de stroom in de statorwikkelingen via een elektronisch regelsysteem en werkt samen met de permanente magneten van de rotor om een ​​efficiënte omzetting van elektrische energie in mechanische energie te bereiken. Van kleine consumentenelektronica tot grote industriële apparatuur, van laagspanningstoepassingen tot 48V BLDC-motorsystemen, borstelloze gelijkstroommotoren, met hun hoge efficiëntie, hoge betrouwbaarheid en uitstekende regelprestaties, stimuleren de technologische vooruitgang en verbetering van de energie-efficiëntie in verschillende industrieën. Met de voortdurende ontwikkeling van elektronische besturingstechnologie en permanente magneetmaterialen kunnen we voorzien dat BLDC-motoren een breder toepassingsperspectief en betere prestaties zullen hebben.

Bent u geïnteresseerd in onze producten of heeft u vragen, neem dan gerust contact met ons opneem contact met ons open wij zullen u binnen 24 uur antwoorden.