Cómo funcionan los motores de CC sin escobillas (BLDC)

Cómo funcionan los motores de CC sin escobillas (BLDC)

La publicación detalla detalladamente el concepto operativo básico de los motores de CC sin escobillas, también llamados motores BLDC.



Diferencia entre motores de CC con y sin escobillas

En nuestros motores cepillados tradicionales, se emplean cepillos para conmutar el rotor móvil central con respecto al estator de imán permanente fijo circundante.

Los cepillos se vuelven imperativos porque el rotor está hecho con electroimanes que necesitan energía para funcionar, pero como también necesita girar, las cosas se vuelven torpes y los cepillos se convierten en la única alternativa para suministrar energía al rotor electromagnético giratorio.





Por el contrario, en los motores de CC sin escobillas o los motores BLDC tenemos un estator central fijo y un rotor circular circundante. El estator está formado por un conjunto de electroimanes, mientras que el rotor tiene imanes permanentes fijados a lo largo de su perímetro en determinadas posiciones calculadas.

Uso de sensores de efecto Hall

El mecanismo también tiene un sensor de efecto Hall que se instala para detectar la posición del rotor y sus imanes con respecto al electroimán del estator e informar los datos a un circuito de conmutación externo que luego se encarga de activar / desactivar los electroimanes en el secuencia o sincronización correcta, lo que influye en un movimiento de rotación del rotor.



La explicación anterior puede entenderse con la ayuda de la siguiente ilustración básica y luego a través de un elaborado diseño en las siguientes imágenes.

Hemos aprendido y sabemos bastantes cosas interesantes sobre los imanes y cómo interactúan estos dispositivos.

Sabemos que un polo norte del imán atrae al polo sur de otro imán mientras que los polos iguales se repelen.

Cómo se colocan los imanes permanentes

En el diagrama que se muestra arriba, vemos un disco con un imán incrustado en su borde (mostrado en color rojo) que se coloca con el polo norte hacia afuera, y también un electroimán colocado en una proximidad paralela al borde circular del disco que produce un campo magnético sur cuando está energizado.

Suponiendo ahora que la disposición se coloca como se muestra en el primer diagrama superior con el electroimán en un estado desactivado.

En esta posición, tan pronto como el electroimán se activa con una entrada de CC adecuada, alcanza y genera un campo magnético sur que influye en una fuerza de tracción sobre el imán del disco que, a su vez, obliga al disco a girar con un par de torsión hasta que su imán permanente se alinea con los electroimanes opuestos a las líneas de flujo.

La acción anterior muestra el formato básico en el que funciona el concepto BLDC.

Cómo funciona el motor BLDC con sensores de efecto Hall

Ahora veamos cómo se implementa el concepto anterior utilizando sensores de efecto Hall para mantener un movimiento continuo sobre el rotor.

El siguiente diagrama de ejemplo explica el mecanismo de manera integral:

En el diagrama anterior, básicamente vemos una disposición sencilla de rotor / estator BLDC, donde el elemento circular exterior es el rotor giratorio mientras que el electroimán central se convierte en el estator fijo.

Se puede ver que el rotor tiene un par de imanes permanentes fijos en la periferia que tienen el polo sur como las líneas de flujo de influencia, el estator central es un electroimán fuerte que está diseñado para generar una fuerza equivalente de flujo magnético del Polo Norte cuando se energiza con un CC externa.

También podemos visualizar un sensor hall situado cerca de una de las esquinas de la periferia del rotor interior. El efecto hall detecta fundamentalmente el campo magnético del rotor giratorio y alimenta la señal a un circuito de control responsable de alimentar los electroimanes del estator.

Refiriéndonos a la posición superior, vemos el área en blanco (que no tiene ningún campo magnético) del rotor en estrecho contacto con el sensor de pasillo manteniéndolo en un estado apagado.

En este instante, la señal de apagado del efecto hall informa al circuito de control que encienda los electroimanes, lo que induce instantáneamente un efecto de tracción en el polo sur del rotor que se encuentra a la vuelta de la esquina.

Cuando esto sucede, el polo sur desciende produciendo el par requerido en el rotor y trata de alinearse con el polo norte del electroimán.

Sin embargo, en el proceso, el polo sur del rotor también se acerca al sensor de pasillo (como se muestra en el diagrama inferior) que inmediatamente lo detecta y se enciende informando al circuito de control que apague los electroimanes.

El tiempo de apagado de los electroimanes es crucial

La desconexión de los electroimanes en el momento adecuado, como lo indica el sensor de efecto Hall, prohíbe el estancamiento y obstaculización del movimiento del rotor, más bien permite que continúe con el movimiento a través del par generado hasta que la posición anterior comience a tomar forma, y ​​hasta el hall. El sensor una vez más 'siente' el área en blanco del rotor y se apaga repitiendo el ciclo.

La conmutación anterior del sensor de pasillo de acuerdo con las diversas posiciones del rotor provoca un movimiento de rotación continuo con un toque que puede ser directamente proporcional a las interacciones magnéticas del estator / rotor y, por supuesto, al posicionamiento del efecto de pasillo.

Las discusiones anteriores explican los dos imanes más fundamentales, un mecanismo de sensor de pasillo.

Con el fin de lograr pares excepcionalmente más altos, se emplean más imanes y conjuntos de electroimanes en otros motores sin escobillas de mayor eficiencia en los que se puede ver más de un sensor de efecto Hall para implementar la detección múltiple de los imanes del rotor de modo que se puedan conmutar diferentes conjuntos de electroimanes en el secuencia correcta preferida.

Cómo controlar el motor BLDC

Hasta ahora hemos entendido el concepto básico de trabajo de Motores BLDC y aprendimos cómo se usa un sensor Hall para activar el electroimán del motor a través de un circuito electrónico externo adjunto para mantener un movimiento de rotación continuo del rotor, en la siguiente sección estudiaremos cómo funciona realmente el circuito del controlador BLDC para controlar motores BLDC

El método de implementar un electroimán de estator fijo y un rotor magnético libre giratorio asegura una mayor eficiencia a los motores BLDC en comparación con los motores con escobillas tradicionales que tienen exactamente la topología opuesta y, por lo tanto, requieren escobillas para las operaciones del motor. El uso de cepillos hace que los procedimientos sean relativamente ineficaces en términos de duración, consumo y tamaño.

Desventaja del motor BLDC

Aunque los tipos BLDC pueden ser el concepto de motor más eficiente, tiene un inconveniente significativo que requiere un circuito electrónico externo para operarlo. Sin embargo, con la llegada de los circuitos integrados modernos y los sensores Hall sensibles, este problema parece ahora bastante trivial en comparación con el alto grado de eficiencia que implica este concepto.

Controlador BLDC de 4 imanes El diseño

En el presente artículo discutimos un circuito de control simple y básico para un motor BLDC de cuatro imanes y sensor de pasillo único. El funcionamiento del motor puede entenderse consultando el siguiente diagrama del mecanismo del motor:

La imagen de arriba muestra una disposición básica de motor BLDC que tiene dos juegos de imanes permanentes en la periferia de un rotor externo y dos juegos de electroimán central (A, B, C, D) como estator.

Para iniciar y mantener un par de rotación, los electroimanes A, B o C, D deben estar en un estado activado (nunca juntos) dependiendo de las posiciones de los polos norte / sur del imán del rotor con respecto a los electroimanes activados.

Cómo funciona el controlador de motor BLDC

Para ser precisos, asumamos la posición que se muestra en el escenario anterior con A y B en un estado encendido de manera que el lado A esté energizado con el polo sur mientras que el lado B esté energizado con el polo norte.

Esto significaría que el lado A estaría ejerciendo un efecto de tracción sobre su polo norte azul izquierdo y un efecto repelente en el polo sur del lado derecho del estator, de manera similar, el lado B estaría tirando del polo sur rojo inferior y repeler el norte superior. polo del rotor ... se podría suponer entonces que todo el proceso está ejerciendo un impresionante movimiento en el sentido de las agujas del reloj sobre el mecanismo del rotor.
Supongamos también que en la situación anterior el sensor Hall está en un estado desactivado, ya que puede ser un dispositivo sensor Hall 'activado por el polo sur'.

El efecto anterior intentaría alinear y forzar el rotor de modo que el sur se bloquee cara a cara con el lado B mientras que el polo norte con el lado A, sin embargo, antes de que esta situación pueda suceder, el sensor Hall se coloca muy cerca del desplazando el polo sur superior del rotor, y cuando este solo transita a través del sensor Hall se ve obligado a encenderse, enviando una señal positiva al circuito de control conectado que responde instantáneamente y apaga los electroimanes A / B y enciende los electroimanes C / D, asegurándose de que el momento en el sentido de las agujas del reloj del rotor se aplique una vez más manteniendo un par de rotación constante en el rotor.

Circuito del controlador BLDC básico

La conmutación explicada anteriormente de los electroimanes en respuesta a la señal de activación del sensor Hall se puede implementar de manera muy simple utilizando la siguiente idea sencilla del circuito de control BLDC.

El circuito no necesita mucha explicación ya que es demasiado básico, durante las situaciones de encendido del sensor Hall, el BC547 y el TIP122 acoplado se encienden correspondientemente, lo que a su vez enciende los correspondientes conjuntos de electroimanes conectados a través de su colector y positivo. , durante los períodos de apagado del sensor Hall, el par BC547 / TIP122 se apaga, pero el transistor TIP122 del extremo izquierdo se enciende activando los conjuntos opuestos de electroimán.

La situación se alterna alternativamente, continuamente mientras se mantenga la energía aplicada manteniendo el BLDC girando con los pares y el momento requeridos.




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