Funktionsweise bürstenloser Gleichstrommotoren (BLDC)

In diesem Beitrag wird das grundlegende Betriebskonzept bürstenloser Gleichstrommotoren, auch BLDC-Motoren genannt, ausführlich beschrieben.

Unterschied zwischen bürstenbehafteten und bürstenlosen Gleichstrommotoren

In unseren traditionellen Bürstenmotoren werden Bürsten verwendet, um den zentralen beweglichen Rotor in Bezug auf den Permanentmagnetstator des umgebenden Briefpapiers zu schalten.

Bürsten sind unabdingbar, da der Rotor aus Elektromagneten besteht, die zum Betrieb Strom benötigen. Da er sich jedoch auch drehen muss, werden die Dinge ungeschickt und Bürsten werden zur einzigen Alternative für die Stromversorgung des rotierenden elektromagnetischen Rotors.

Im Gegensatz dazu haben wir bei bürstenlosen Gleichstrommotoren oder BLDC-Motoren einen zentralen Stator für Schreibwaren und einen umgebenden kreisförmigen Rotor. Der Stator besteht aus einem Satz von Elektromagneten, während am Rotor an bestimmten berechneten Positionen Permanentmagnete an seinem Umfang angebracht sind.

Verwenden von Hall-Effekt-Sensoren

Der Mechanismus verfügt auch über einen Hall-Effekt-Sensor, der installiert ist, um die Position des Rotors und seiner Magnete in Bezug auf den Stator-Elektromagneten zu erfassen und die Daten an einen externen Schaltkreis weiterzuleiten, der dann für die Aktivierung / Deaktivierung der Elektromagnete am verantwortlich ist richtige Reihenfolge oder Timing, die eine Drehbewegung am Rotor beeinflussen.

Die obige Erklärung kann mit Hilfe der folgenden grundlegenden Abbildung und dann durch ein ausführliches Design in den nachfolgenden Bildern verstanden werden.

Wir haben einige interessante Dinge über Magnete und die Interaktion dieser Geräte gelernt und wissen sie.

Wir wissen, dass ein Nordpol des Magneten den Südpol eines anderen Magneten anzieht, während er sich wie Pole abstößt.

Wie Permanentmagnete positioniert sind

In dem oben gezeigten Diagramm sehen wir eine Scheibe mit einem eingebetteten Magneten an ihrem Rand (in roter Farbe gezeigt), der mit dem Nordpol nach außen gerichtet ist, sowie einen Elektromagneten, der parallel zur kreisförmigen Kante der Scheibe angeordnet ist und einen erzeugt Südmagnetfeld bei Erregung.

Angenommen, die Anordnung ist wie im ersten oberen Diagramm gezeigt positioniert, wobei sich der Elektromagnet in einem deaktivierten Zustand befindet.

In dieser Position erreicht und erzeugt der Elektromagnet, sobald er mit einem geeigneten Gleichstromeingang aktiviert wird, ein Südmagnetfeld, das eine Zugkraft über den Scheibenmagneten beeinflusst, wodurch die Scheibe gezwungen wird, sich mit einem gewissen Drehmoment zu drehen, bis ihr Permanentmagnet mit übereinstimmt die Elektromagnete gegenüber den Flusslinien.

Die obige Aktion zeigt das Grundformat, in dem das BLDC-Konzept funktioniert.

Funktionsweise des BLDC-Motors mit Hall-Effekt-Sensoren

Lassen Sie uns nun sehen, wie das obige Konzept mithilfe von Hall-Effekt-Sensoren tatsächlich umgesetzt wird, um eine kontinuierliche Bewegung über den Rotor aufrechtzuerhalten.

Das folgende Beispieldiagramm erläutert den Mechanismus umfassend:

Im obigen Diagramm sehen wir im Grunde eine einfache BLDC-Rotor / Stator-Anordnung, bei der das äußere kreisförmige Element der rotierende Rotor ist, während der zentrale Elektromagnet zum festen Stator wird.

Der Rotor hat ein paar Permanentmagnete am Umfang, die den Südpol als Einflusslinie für den Fluss haben. Der zentrale Stator ist ein starker Elektromagnet, der so ausgelegt ist, dass er eine äquivalente Stärke des Nordpol-Magnetflusses erzeugt, wenn er mit einem Strom versorgt wird externer DC.

Wir können uns auch einen Hallsensor vorstellen, der sich in der Nähe einer der Ecken des Innenrotorumfangs befindet. Der Hall-Effekt erfasst grundsätzlich das Magnetfeld des rotierenden Rotors und leitet das Signal an einen Steuerkreis weiter, der für die Stromversorgung der Statorelektromagnete verantwortlich ist.

In Bezug auf die obere Position sehen wir den leeren Bereich (der frei von Magnetfeldern ist) des Rotors in engem Kontakt mit dem Hallsensor, der ihn ausgeschaltet hält.

In diesem Moment weist das Abschaltsignal vom Hall-Effekt den Steuerkreis an, die Elektromagnete einzuschalten, was sofort einen Zieheffekt auf den gleich um die Ecke stehenden Rotor-Südpol hervorruft.

In diesem Fall fällt der Südpol stark ab und erzeugt das erforderliche Drehmoment am Rotor. Er versucht, sich auf den Nordpol des Elektromagneten auszurichten.

Dabei zieht sich jedoch auch der Südpol des Rotors in die Nähe des Hallsensors (wie im unteren Diagramm gezeigt), der dies sofort erkennt und einschaltet und den Steuerkreis anweist, die Elektromagnete auszuschalten.

Ausschaltzeit der Elektromagnete ist entscheidend

Das Ausschalten der Elektromagnete im richtigen Moment, wie vom Hall-Effekt-Sensor signalisiert, verhindert das Abwürgen und Behindern der Rotorbewegung, sondern ermöglicht es ihr, die Bewegung durch das erzeugte Drehmoment fortzusetzen, bis sich die vorherige Position zu formen beginnt und bis die Halle Der Sensor 'fühlt' erneut den leeren Bereich des Rotors und wird ausgeschaltet, wobei der Zyklus wiederholt wird.

Das obige Umschalten des Hallsensors gemäß den verschiedenen Rotorpositionen bewirkt eine kontinuierliche Rotationsbewegung mit einer Haube, die direkt proportional zu den magnetischen Wechselwirkungen zwischen Stator und Rotor sein kann, und natürlich die Positionierung des Hall-Effekts.

Die obigen Diskussionen erklären den grundlegendsten Mechanismus mit zwei Magneten und einem Hallsensor.

Um außergewöhnlich höhere Drehmomente zu erreichen, werden mehr Magnete und Sätze von Elektromagneten in anderen bürstenlosen Motoren mit höherem Wirkungsgrad verwendet, wobei mehr als ein Hall-Effekt-Sensor zum Implementieren einer Mehrfacherfassung der Rotormagnete gesehen werden kann, so dass verschiedene Sätze von Elektromagneten an der geschaltet werden könnten bevorzugte richtige Reihenfolge.

So steuern Sie den BLDC-Motor

Bisher haben wir das grundlegende Arbeitskonzept von verstanden BLDC-Motoren und im nächsten Abschnitt erfahren Sie, wie ein Hallsensor zum Aktivieren des Elektromagneten des Motors über eine extern angeschlossene elektronische Schaltung verwendet wird, um eine kontinuierliche Drehbewegung des Rotors aufrechtzuerhalten. Wir werden untersuchen, wie die BLDC-Treiberschaltung tatsächlich zur Steuerung von BLDC-Motoren funktioniert

Das Verfahren zur Implementierung eines Elektromagneten mit festem Stator und eines rotierenden freien Magnetrotors gewährleistet einen verbesserten Wirkungsgrad für BLDC-Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Bürstenmotoren, die genau die entgegengesetzte Topologie aufweisen und daher Bürsten für den Motorbetrieb erfordern. Die Verwendung von Bürsten macht die Verfahren in Bezug auf lange Lebensdauer, Verbrauch und Größe relativ ineffizient.

Nachteil des BLDC-Motors

Obwohl BLDC-Typen das effizienteste Motorkonzept sein können, hat es einen wesentlichen Nachteil, dass für den Betrieb eine externe elektronische Schaltung erforderlich ist. Mit dem Aufkommen moderner ICs und empfindlicher Hallsensoren scheint dieses Problem im Vergleich zu dem hohen Wirkungsgrad dieses Konzepts jedoch recht trivial zu sein.

4 Magnet BLDC Treiber Das Design

In diesem Artikel diskutieren wir eine einfache und grundlegende Steuerschaltung für einen 4-Magnet-BLDC-Motor mit einem Hallsensor. Der Motorbetrieb kann unter Bezugnahme auf das folgende Motormechanismusdiagramm verstanden werden:

Das obige Bild zeigt eine grundlegende BLDC-Motoranordnung mit zwei Sätzen von Permanentmagneten am Umfang eines Außenrotors und zwei Sätzen eines zentralen Elektromagneten (A, B, C, D) als Stator.

Um ein Drehmoment zu initiieren und aufrechtzuerhalten, müssen sich entweder A-, B- oder C-, D-Elektromagnete in einem aktivierten Zustand (niemals zusammen) befinden, abhängig von den Positionen der Nord- / Südpole des Rotormagneten in Bezug auf die aktivierten Elektromagnete.

So funktioniert der BLDC-Motortreiber

Um genau zu sein, nehmen wir die im obigen Szenario gezeigte Position mit A und B in einem eingeschalteten Zustand an, so dass Seite A mit dem Südpol und Seite B mit dem Nordpol versorgt wird.

Dies würde bedeuten, dass die Seite A einen Zieheffekt über ihren linken blauen Nordpol und einen Abstoßungseffekt auf ihren rechten Südpol des Stators ausüben würde, ähnlich würde die Seite B den unteren roten Südpol ziehen und den oberen Norden abstoßen Pol des Rotors .... es könnte dann angenommen werden, dass der gesamte Prozess eine beeindruckende Bewegung im Uhrzeigersinn über den Rotormechanismus ausübt.
Nehmen wir auch an, dass sich der Hallsensor in der obigen Situation in einem deaktivierten Zustand befindet, da es sich möglicherweise um ein Hallsensorgerät mit Südpolaktivierung handelt.

Der obige Effekt würde versuchen, den Rotor so auszurichten und zu zwingen, dass der Süden von Angesicht zu Angesicht mit Seite B einrastet, während der Nordpol mit Seite A, jedoch bevor diese Situation eintreten kann, der Hallsensor in die Nähe des gebracht wird Wenn der obere Südpol des Rotors verschoben wird und dieser gerade über den Hallsensor läuft, muss er eingeschaltet werden. Er sendet ein positives Signal an den angeschlossenen Steuerkreis, der sofort reagiert und die Elektromagnete A / B ausschaltet und die Elektromagnete C / einschaltet. D, wobei sichergestellt wird, dass das Moment des Rotors im Uhrzeigersinn erneut erzwungen wird, wobei ein gleichmäßiges Drehmoment auf den Rotor aufrechterhalten wird.

Grundlegende BLDC-Treiberschaltung

Das oben erläuterte Schalten der Elektromagnete als Reaktion auf das Hall-Sensor-Triggersignal kann sehr einfach unter Verwendung der folgenden einfachen BLDC-Steuerschaltungsidee implementiert werden.

Die Schaltung bedarf keiner großen Erklärung, da sie während der Einschaltsituationen des Hallsensors zu einfach ist. Der BC547 und der gekoppelte TIP122 werden entsprechend eingeschaltet, wodurch wiederum die entsprechenden Sätze von Elektromagneten eingeschaltet werden, die an ihrem Kollektor angebracht und positiv sind Während der Ausschaltperioden des Hallsensors wird das BC547 / TIP122-Paar ausgeschaltet, aber der TIP122-Transistor ganz links wird eingeschaltet, wodurch die entgegengesetzten Elektromagnetsätze aktiviert werden.

Die Situation wird abwechselnd und kontinuierlich umgeschaltet, solange die Leistung anliegt und der BLDC mit den erforderlichen Drehmomenten und Impulsen rotiert.