מבוא
מנועי DC ללא מברשות (BLDC) צוברים פופולריות במהירות ביישומים תעשייתיים שונים בשל היעילות יוצאת הדופן, חיי הפעולה הארוכים, המומנט הגבוה ודרישות התחזוקה הנמוכות שלהם. מנועים אלה משתמשים במגנטים קבועים ובתעבורה מבוקרת אלקטרונית כדי לבטל את המברשות הפיזיות והקומוטטור המצויים במנועי DC מסורתיים. זה מביא לעיצוב מנוע אמין ויעיל יותר. במאמר זה נתעמק כיצד פועל מנוע BLDC וכיצד הוא מונע.
מבנה בסיסי של מנוע BLDC
מנוע BLDC מורכב מרוטור, סטטור ומערכת פיתולים. הרוטור מורכב ממגנטים קבועים וממוקם במרכז המנוע. הסטטור מקיף את הרוטור ומכיל סדרה של פיתולים המופעלים בתבנית ספציפית כדי לייצר שדה מגנטי מסתובב. כאשר הרוטור נחשף לשדה מגנטי זה, הוא מסתובב כדי ליישר קו עם קווי הכוח המגנטיים.
כיצד מונע מנוע BLDC
מנועי BLDC מונעים על ידי מעגל אלקטרוני השולט בתזמון ובקוטביות של הזרם המסופק לפיתולי המנוע. מעגל זה מכונה בדרך כלל בקר מנוע. בקר המנוע מקבל קלט ממגוון מקורות, כולל חיישנים, מקודד או מיקרו-מעבד, בהתאם ליישום הספציפי.
בקרה מבוססת חיישן
שיטה נפוצה אחת לשליטה במנוע BLDC היא באמצעות בקרה מבוססת חיישנים. גישה זו עושה שימוש במשוב מחיישני אפקט הול הממוקמים בתוך המנוע. חיישני אפקט הול הם מכשירים אלקטרוניים קטנים שיכולים למדוד את החוזק והכיוון של שדה מגנטי. במנוע BLDC טיפוסי, ישנם שלושה חיישני אפקט הול מסודרים סביב הסטטור. חיישנים אלו מזהים את כיוון הרוטור ומספקים מידע לבקר המנוע המאפשר לו להפעיל נכון את הפיתולים.
בקר המנוע משתמש במידע המשוב הזה כדי לקבוע איזו סלילה להפעיל ומתי להפעיל אותו. על ידי הפעלת הפיתולים ברצף מסוים, נוצר שדה מגנטי מסתובב המקיים אינטראקציה עם הרוטור, וגורם לו להסתובב. רצף זה של אנרגיה מכונה בדרך כלל תמורה.
שליטה ללא חיישן
שיטה נוספת לשליטה במנוע BLDC היא שליטה ללא חיישנים. גישה זו עושה שימוש במודל מתמטי של התנהגות המנוע כדי לקבוע את מיקום ומהירות הרוטור ללא צורך בחיישני אפקט הול. שליטה ללא חיישן הופכת פופולרית יותר ויותר בשל עלותה הנמוכה יותר והאמינות המוגברת בהשוואה לבקרה מבוססת חיישנים.
בקרה ללא חיישן משתמשת במגוון טכניקות כדי לחשב את מיקום הרוטור, כולל חישת EMF אחורי, שיטות מבוססות צופה ושיטות מבוססות מודל. חישת Back-EMF כוללת מדידת המתח המושרה בפיתולים כאשר הרוטור מסתובב. שיטות מבוססות צופה משתמשות באלגוריתם כדי להעריך את מיקום הרוטור על סמך התנהגות המנוע. שיטות מבוססות מודל משתמשות במודל מתמטי של המנוע כדי לחזות את מיקום הרוטור בהתבסס על זרמי הכניסה והמתחים.
אפנון רוחב הדופק
ללא קשר לשיטת הבקרה שבה נעשה שימוש, בקר המנוע חייב לווסת את רוחב הפולסים של מתח הכניסה לפיתולי המנוע. אפנון רוחב דופק (PWM) היא שיטה לוויסות המתח המסופק למנוע על ידי הפעלה וכיבוי מהיר של המתח בתדר גבוה.
מחזור העבודה של אות PWM קובע את המתח הממוצע המופעל על המנוע. על ידי שינוי מחזור העבודה של אות PWM, בקר המנוע יכול לשלוט במהירות ובמומנט של המנוע. התדר של אות PWM הוא בדרך כלל כמה קילו-הרץ כדי למנוע רעש קולי מהמנוע.
היתרונות של BLDC Motors
מנועי BLDC מציעים יתרונות רבים על פני מנועי DC מסורתיים ומנועי אינדוקציה AC. חלק מהיתרונות הללו כוללים:
1. יעילות גבוהה
2. חיי הפעלה ארוכים
3. צפיפות מומנט גבוהה
4. דרישות תחזוקה נמוכות
5. בקרת מהירות ומומנט מדויקת
6. פעולה שקטה
7. עיצוב קומפקטי וקל משקל
יישומים של BLDC Motors
מנועי BLDC נמצאים בשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים ומסחריים שונים בשל יתרונותיהם הרבים. כמה מהיישומים הנפוצים ביותר של מנועי BLDC כוללים:
1. רכבים חשמליים
2. מערכות HVAC
3. אוטומציה תעשייתית
4. רובוטיקה
5. מכשור רפואי
6. מכשירי חשמל לבית
7. תעופה וחלל
סיכום
לסיכום, מנועי BLDC מציעים יתרונות רבים על פני מנועי DC מסורתיים ומנועי אינדוקציה AC. מנועים אלה מונעים על ידי מעגל אלקטרוני השולט בתזמון ובקוטביות של הזרם המסופק לפיתולי המנוע. מנועי BLDC נשלטים בדרך כלל באמצעות בקרה מבוססת חיישנים או ללא חיישן ומשתמשים באפנון רוחב פולס כדי לווסת את המתח המסופק למנוע. מנועים אלה מוצאים שימוש נרחב ביישומים תעשייתיים ומסחריים שונים, כולל רכבים חשמליים, מערכות HVAC, אוטומציה תעשייתית ורובוטיקה.