موتورهای DC بدون جاروبک

درک اصل و کاربرد موتورهای با بازده بالا

یک موتور، انرژی الکتریکی عرضه شده را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. انواع مختلفی از موتورها معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این میان موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC) دارای راندمان بالا و قابلیت کنترل عالی هستند و در بسیاری از برنامه ها به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. موتور BLDC نسبت به انواع دیگر موتور دارای مزایای صرفه جویی در مصرف انرژی است.

موتورها: ماشین های تحویل نیرو

هنگامی که مهندسان با چالش طراحی تجهیزات الکتریکی برای انجام کارهای مکانیکی روبرو می‌شوند، ممکن است در مورد چگونگی تبدیل سیگنال های الکتریکی به انرژی فکر کنند. بنابراین محرک ها و موتورها از جمله دستگاه هایی هستند که سیگنال های الکتریکی را به حرکت تبدیل می‌کنند. موتورها انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند.

ساده ترین نوع موتور، موتور DC جاروبک دار است. در این نوع موتورها جریان الکتریکی از سیم پیچهایی عبور می‌کند که در یک میدان مغناطیسی ثابت قرار گرفته اند. جریان باعث تولید میدان های مغناطیسی در سیم پیچ می‌شود. این باعث چرخش مجموعه سیم پیچ می‌شود، زیرا هر سیم پیچ از قطب مشابه رانده شده و به سمت قطب دیگر از میدان ثابت کشیده می‌شود. برای حفظ چرخش، لازم است که جریان به طور مداوم معکوس شود - به طوری که قطب های سیم پیچ به طور مداوم جابجا می‌شوند، و باعث می‌شود که سیم پیچ ها "برعکس" قطب های ثابت را "تعقیب" کنند. برق سیم پیچ ها از طریق جاروبک های رسانای ثابت که با یک سوئیچ چرخان تماس دارند تامین می‌شود. چرخش کموتاتور است که باعث برگشت جریان از طریق سیم پیچ می‌شود. کموتاتور و جاروبک اجزای اصلی متمایز کننده موتور DC جاروبک دار از سایر موتورها هستند. شکل 1 اصل کلی موتور جاروبک دار را نشان می‌دهد.

انواع متداول موتور

موتورها با توجه به نوع توان آنها AC یا DC و روش آنها برای تولید چرخش متفاوت هستند (شکل 2). در ادامه، ما مختصراً به ویژگی ها و کاربردهای هر نوع نگاه می‌کنیم.

موتورهای DC جاروبک دار، دارای طراحی ساده و کنترل آسان است. به طور گسترده ای برای باز و بسته کردن سینی های دیسک استفاده می‌شود. در اتومبیل ها اغلب برای جمع کردن، کشیدن و قرار دادن شیشه های جانبی با انرژی الکتریکی استفاده می‌شوند. هزینه پایین این موتورها آنها را برای مصارف مختلف مناسب می‌کند. ایراد کار این است که در اثر تماس مداوم جاروبک ها و کموتاتور امکان ایجاد جرقه وجود دارد و موجب فرسایش می‌شود. برای همین نیاز به تعویض مکرر و نگهداری دوره ای دارد.

یک موتور پله ای (Stepper) توسط پالس ها حرکت می‌کند. با هر پالس از یک زاویه خاص (گام) می‌چرخد. از آنجا که چرخش دقیقاً توسط تعداد پالس های دریافتی کنترل می‌شود، از این موتورها به طور گسترده ای برای اجرای تنظیمات موقعیتی استفاده می‌شود. برای مثال، برای کنترل تغذیه کاغذ در دستگاههای نمابر و چاپگرها اغلب از آنها استفاده می‌شود. از آنجا که این دستگاه ها کاغذ را در مراحل ثابت تغذیه می‌کنند، با تعداد مراحل ارتباط دارند. مکث را نیز می‌توان به راحتی کنترل کرد. با قطع سیگنال پالس چرخش موتور بلافاصله متوقف می‌شود.

در موتورهای سنکرون (Synchronous)، چرخش همزمان با فرکانس جریان تغذیه است. این موتورها اغلب برای راه اندازی سینی های چرخان در اجاق های مایکروویو استفاده می‌شوند. می‌توان از چرخ دنده های کاهشی در واحد موتور برای دستیابی به سرعت چرخشی مناسب برای گرم کردن غذا استفاده کرد.

در موتورهای القایی (Induction) نیز سرعت چرخش با فرکانس متفاوت است. اما حرکت همزمان نیست. در گذشته، این موتورها اغلب در فن های برقی و ماشین لباسشویی استفاده می‌شد.

انواع مختلفی موتور با کاربرد مشترک وجود دارد. در این نوشته، ما به مزایا و کاربردهای موتورهای DC   بدون جاروبک می‌پردازیم.

چرا موتورهای BLDC می‌چرخند؟

همانطور که از نام آنها پیداست، موتورهای BLDC از جاروبک استفاده نمی‌کنند. در موتورهای جاروبک دار، جاروبک ها جریان را از طریق کموتاتور به داخل سیم پیچ های روتور می‌رساند. بنابراین چگونه یک موتور بدون جاروبک جریان را به سیم پیچ های روتور منتقل می‌کند؟

در اصل اینطوری کار نمی‌کند. زیرا سیم پیچ ها روی روتور قرار ندارند. در عوض، روتور یک آهن ربا دائمی است. سیم پیچ ها نمی‌چرخند، بلکه در جای خود بر روی استاتور ثابت می‌شوند. از آنجا که سیم پیچ ها حرکت نمی‌کنند، دیگر نیازی به جاروبک و کموتاتور نیست. (شکل 3 را ببینید)

در موتور جاروبک دار، چرخش با کنترل میدان های مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ های روتور حاصل می‌شود. در حالی که میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنرباهای ساکن، ثابت می‌ماند. برای تغییر سرعت چرخش، ولتاژ سیم پیچ ها تغییر داده می‌شود. در موتور BLDC، آهن ربای دائمی است که می‌چرخد. چرخش با تغییر جهت میدان های مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ های ثابت، به دست می‌آید. برای کنترل چرخش، مقدار و جهت جریان داخل این سیم پیچ ها تنظیم می‌شود.

مزایای موتورهای BLDC

یک موتور BLDC با سه سیم پیچ روی استاتور دارای شش سیم برق (دو سیم به هر سیم پیچ) برای این سیم پیچ ها است. در بیشتر پیاده سازی ها، سه سیم از این سیمها بهم متصل می‌شوند، سه سیم باقیمانده از بدنه موتور امتداد می‌یابند (به جای دو سیم از موتور براش (جاروبک دار)ک ه قبلاً توضیح داده شد). سیم کشی در حالت موتور BLDC پیچیده تر از اتصال ساده ترمینال های مثبت و منفی پیل برق است. ما در جلسه دوم این سری با دقت بیشتری به نحوه کار این موتورها خواهیم پرداخت. در ادامه، با بررسی مزایای موتورهای BLDC نتیجه خواهیم گرفت.

یک مزیت بزرگ بهره وری است، زیرا این موتورها می‌توانند با حداکثر نیروی چرخش (گشتاور) به طور مداوم کنترل شوند. در مقابل، موتورهای براش فقط در نقاط معینی از چرخش به حداکثر گشتاور می‌رسند. برای اینکه یک موتور جاروبک دار همان گشتاور مدل بدون جاروبک را داشته باشد، باید از آهن ربا بزرگتری استفاده کند. به همین دلیل است که حتی موتورهای کوچک BLDC نیز می‌توانند قدرت قابل توجهی را تحویل دهند.

دومین مزیت بزرگ که مربوط به مورد اول است، قابلیت کنترل است. موتورهای BLDC را می‌توان با استفاده از مکانیزم های بازخورد کنترل کرد تا دقیقاً گشتاور و سرعت چرخش مورد نظر را تحویل دهند. کنترل دقیق به نوبه خود باعث کاهش مصرف انرژی و تولید گرما می‌شود. در مواردی که موتورها با باتری کار می‌کنند، عمر باتری را افزایش می‌دهد.

موتورهای BLDC به دلیل نداشتن جاروبک، از دوام بالا و تولید سر و صدای کم الکتریکی نیز برخوردار هستند. در استفاده از موتورهای جاروبک دار، جاروبک و کموتاتور در اثر تماس مداوم متحرک فرسوده می‌شوند و همچنین جرقه هایی را ایجاد می‌کنند. سر و صدای برق، به ویژه نتیجه جرقه های شدیدی است که به خاطر عبور جاروبک از شکاف کموتاتور ایجاد می‌شود. برای همین موتورهای BLDC اغلب در مواردی که جلوگیری از نویز برق مهم است، ترجیح داده می‌شوند.

کاربردهای ایده آل برای موتورهای BLDC

گفتیم موتورهای BLDC از راندمان و قابلیت کنترل بالایی برخوردار هستند و عمر آنها طولانی است. خوب برای چه کاری خوب هستند؟ به دلیل کارآیی و طول عمر بالا، به طور گسترده ای در دستگاه هایی که به طور مداوم کار می‌کنند مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدت هاست که در ماشین های لباسشویی، تهویه مطبوع و سایر لوازم برقی مصرفی استفاده می‌شود. بهره وری بالای موتور بدون جاروبک به کاهش قابل توجهی در مصرف برق کمک کرده است. این امر موجب شده اخیرا طرفداران زیادی داشته باشد.

آنها همچنین برای راه اندازی جاروبرقی استفاده می‌شوند. در یک حالت، تغییر در برنامه کنترل منجر به جهش زیادی در سرعت چرخش می‌شود. نمونه ای از قابلیت کنترل فوق العاده ای که توسط این موتورها ارائه می‌شود.

موتورهای BLDC همچنین برای چرخش درایوهای هارد دیسک مورد استفاده قرار می‌گیرند، جایی که دوام آنها باعث می‌شود که درایوها در طولانی مدت به طور قابل اعتمادی کار کنند. در حالی که راندمان انرژی آنها به کاهش انرژی کمک می‌کند. جایی که این موضوع اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

استفاده گسترده تر از موتورهای BLDC در آینده

انتظار می‌رود در آینده شاهد استفاده موتورهای BLDC در طیف وسیعی از برنامه ها باشیم. به عنوان مثال، آنها احتمالاً به طور گسترده ای در راه اندازی ربات های خدماتی (ربات های کوچکی که در زمینه های دیگری غیر از تولید کار می‌کنند) مورد استفاده قرار می‌گیرند. ممکن است تصور شود که موتورهای پله ای (Stepper Motor) در این نوع برنامه ها، جایی که می‌توان از پالس ها برای کنترل دقیق موقعیت استفاده کرد، مناسب ترند. اما موتورهای BLDC برای کنترل نیرو مناسب تر می‌باشند. در حالی که با یک موتور پله ای، نگه داشتن موقعیت سازه ای مانند بازوی ربات نیاز به جریان نسبتاً بزرگ و مداوم دارد. با وجود یک موتور BLDC، متناسب با نیروی خارجی امکان کنترل کارآمدتر وجود دارد. همچنین موتورهای BLDC ممکن است جایگزین موتورهای dc جاروبک دار ساده در گاری های گلف و چرخ دستی های حرکتی شوند. علاوه بر کارایی بهتر، موتورهای BLDC می‌توانند کنترل دقیق تری را ارائه دهند. که به نوبه خود می‌تواند 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 هواپیماهای بدون سرنشین چند موتور مناسب می‌کند. جایی که وضعیت هواپیمای بدون سرنشین با کنترل دقیق سرعت چرخش هر روتور کنترل می‌شود.

در این نوشتار، دیدیم چگونه موتورهای BLDC بهره وری، کنترل پذیری و طول عمر بسیار خوبی ارائه می‌دهند. اما کنترل دقیق و مناسب برای استفاده کامل از پتانسیل این موتورها ضروری است.

لینک اصلی مقاله

منبع: وب سایت enesas.com