ساختمان و عملکرد موتور DC بدون جاروبک (BLDC Motor)

1- ساختار موتور DC بدون جاروبک

موتورهای BLDC اصطلاحا (Brushless DC motor) نوعی از موتورهای سنکرون هستند. این موضوع به این معنی است که میدان مغناطیسی در روتور و استاتور با یک فرکانس ایجاد می­ شوند. انواع الکتروموتور DC بدون جاروبک دارای لغزش به آن مفهومی که در موتورهای القایی وجود دارد نمی­باشند.

موتورهای BLDC در انواع تکفاز، دو فاز و سه فاز وجود دارند. مطابق نوع آن، استاتور دارای همان تعداد سیم پیچ می­ باشد. علاوه بر این موتورهای سه فاز بیشترین رواج و مصرف را در بین انواع دیگر دارند.که در اینجا به نوع سه فاز می­پردازیم. 

ویدئوی مقایسه موتور DC بدون جاروبک و موتور DC با جاروبک

در زمینه مزایا و محدودیت های موتور DC بدون جاروبک و موتور DC یک ویدئوی زبان انگلیسی داریم که در موسسه موتور درایو ترجمه و به صورت حرفه ای ویرایش و زیرنویس شده است. (مدت زمان ویدئو سه دقیقه و حجم آن در کیفیت 480P تقریبا 10 مگابایت می باشد) این ویدئوی جذاب را از دست ندهید.

1-1 استاتور

استاتور موتور DC بدون جاروبک از ورقه های فولادی به هم پرچ شده با سیم پیچی که در شیارهای آن قرار گرفته به صورت شکل شماره (۱) ساخته شده است. استاتور همانند استاتور یک موتور القایی است. اما سیم­پیچها به روشی متفاوت در استاتور توزیع شده­اند. بیشتر موتورهای BLDC دارای سه سیم پیچ در استاتور با اتصال ستاره هستند. هر کدام از این سیم پیچی­ها در محیط استاتور توزیع شده­ اند. و تعداد زوجی از قطبها را تشکیل داده ­اند.

شکل شماره (۱) : استاتور موتور BLDC

دو نوع مختلف از سیم­پیچی استاتور وجود دارد: موتورهای ذوزنقه­ ای و موتورهای سینوسی. این تفکیک بر اساس اتصالات داخلی پیچکهای یک سیم پیچ که انواع مختلفی از نیروی ضد محرکه ( EMF ) را ایجاد می کنند شکل گرفته است.

همان گونه که از نام آنها دریافت می­ شود موتور ذوزنقه­ ای نیروی ضد محرکه مغناطیسی را به فرم ذوزنقه ایجاد می­ کند. و در موتور سینوسی نیروی ضد محرکه مغناطیسی سینوسی است.همان طور که در شکلهای (۲) و (۳) نشان داده شده است . علاوه بر نیروی ضد محرکه مغناطیسی جریانهای فازها نیز بسته به نوع موتور ذوزنقه­ ای یا سینوسی می­ باشند. گشتاور ایجاد شده با موتور سینوسی هموارتر از موتور ذوزنقه­ای است. البته این موضوع با هزینه و قیمت بیشتر بدست می­ آید.با توجه به اینکه در موتور سینوسی به علت توزیع شده بودن سیم پیچها اتصالات بین پیچکهای آن بیشتر است از اینرو فضا و مقدارسیم مسی بیشتری مصرف می شود.

1-2 روتور

روتور از مغناطیس دائم ساخته شده است و از دو تا هشت قطب، متغیر است که این قطبها یک در میان قطبهای شمال و جنوب هستند.بر مبنای چگالی شار مورد نیاز در روتور، ماده مغناطیسی مناسب برای ساخت روتور استفاده می­ شود. مغناطیسهای فریت در گذشته برای ساخت مغناطیس دائم استفاده می­ شده است.با پیشرفت تکنولوژی، مغناطیسهای آلیاژی کمیاب مقبولیت یافته اند. مغناطیسهای فریت ارزانتر هستند اما اشکال آنها این است که در یک اندازه ثابت دارای چگالی شار کمتری هستند.در مقابل، مواد آلیاژی چگالی مغناطیس بالاتری دارند و این امکان را می دهند که برای ایجاد گشتاوری یکسان، روتور کوچکتر­ی ساخته شود. همچنین، این آلیاژهای مغناطیسی نسبت اندازه به وزن را بهبود داده و در مقایسه با موتوری هم اندازه که با ماده مغناطیسی فریت ساخته شده است گشتاور بالاتری را ایجاد می­ کنند.

نئودیمیوم( Nd)، ساماریوم کوبالت(SmCo)و آلیاژنئودیمیوم، فریت و برن(NdFeB)تعدادی از این موارد برای آلیاژهای مغناطیسی کمیاب هستند.تحقیقات دائمی درباره بهبود چگالی شار جهت فشردگی بیشتر روتور در جریان است. شکل (۴) مقطع عرضی ترکیبهای متفاوت مغناطیس در روتور را نشان می­ دهد.

شکل (۴): مقطع عرضی مغناطیس روتور

1-3 سنسورهای اثر هال

بر خلاف موتورهای DCمعمولی کموتاسیون موتور DC بدون جاروبک بصورت الکترونیکی کنترل می­ شود. برای گردش یک موتورBLDC استاتور این موتور بایستی با یک توالی خاص تحریک شود. دانستن موقعیت روتور به منظور اینکه تشخیص دهیم کدام یک از سیم­ پیچها باید در توالی بعدی تحریک شود بسیار مهم است. موقعیت روتور بوسیله سنسورهای اثر هال قرار گرفته در استاتور تعیین می­ شود. بیشتر موتورهای BLDC دارای سه عدد سنسور قرارگرفته در استاتور می ­باشند. هنگامی که پلهای مغناطیسی روتور از نزدیک سنسورهای هال می­ گذرد آنها یک سیگنال بالا یا پایین می­ دهند.که نشانگر عبور قطب N یا S از کنار سنسورها است.بر اساس ترکیب سیگنالهای این سه سنسور هال توالی صحیح کموتاسیون تعیین می­ شود.

شکل (۵) مقطع عرضی یک موتور BLDC با قطبهای متناوب N و S را نشان می­ دهد. تعبیه سنسورهای هال در استاتور یک پروسه پیچیده است زیرا نامیزان بودن این سنسورهای هال نسبت به مغناطیسهای روتور باعث ایجاد خطا در تشخیص صحیح موقعیت روتور می­ شود.برای ساده­سازی فرآیند نصب سنسورهای هال در استاتور، برخی از موتورها ممکن است مگنتهای سنسور هال بر روی روتور را علاوه بر مگنتهای اصلی داشته باشند.اینها نسخه المثنی کوچک شده­ای از روتور هستند.از اینرو، هنگامی که روتور می­گردد ، مگنتهای سنسور هال همان اثری را ایجاد می­کنند که مگنتهای اصلی ایجاد می­کنند. سنسورهای هال معمولا بر روی یک برد PC نصب شده­اند. و بر روی کلاهک محفظه انتهایی غیر گردان ثابت شده­اند.این موضوع کاربر را قادر می­سازد برای بدست آوردن بهترین عملکرد کل مونتاژ آنها را تنظیم کند.

1-4 تئوری عملکرد

هر توالی کموتاسیون یکی از سیم پیچها را بصورت مثبت تحریک کرده(جریان به سیم پیچ وارد می شود) دیگری را منفی تحریک کرده (جریان از سیم پیچ خارج می گردد) و سومی را تحریک نمی­کند. گشتاور از بر هم­کنش میدان مغناطیسی تولید شده توسط پیچک های استاتور و مغناطیس دائمی روتور ایجاد می­ گردد. در حالت ایده­آل گشتاور حداکثر در هنگامی که این دو میدان در زاویه ۹۰ درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند رخ می ­دهد و با کم شدن این زاویه گشتاور نیز کاهش می ­یابد. بمنظور اینکه موتور به کار خود ادامه دهد میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم­پیچها بایستی به نسبت حرکت روتور تغییر موقعیت دهند تا همدیگر را بگیرند. این مساله همان چیزی است که تحت عنوان کموتاسیون ۶ مرحله ای که چگونگی تحریک سیم­ پیچها را تعیین می­ کند شناخته می ­شود.

۲– مزایا و معایب استفاده از موتور DC بدون جارویک یا BLDC

اولین چالشی که در انتخاب موتورهای الکتریکی وجود دارد چرایی این انتخاب، مزایا ، معایب و سربه­ سر کردن این موارد و در نهایت تحلیل اینکه کدام یک از گزینه ­ها برای یک کاربرد خاص مفیدتر و به صرفه­ تر است، می ­باشد. از اینرو در اینجا این تحلیل برای موتورهای BLDC ارائه می­ گردد تا دید روشنتری نسبت به این موضوع بدست بیاوریم. این مساله در دو جدول مزایا و معایب این موتورها طبقه بندی و تحلیل شده است.

2-1 مزیتهای موتور BLDC و دلایل وجود این مزیتها

2-2 معایب

اولین اشکال موتورهای BLDC قیمت آنها است. البته این مساله به دلیل ذات ساختاری خود موتور نبوده است زیرا موتور BLDC در حقیقت ساده­ تر از موتور DC با جاروبک است. این قیمت بیشتر برای موتورهای BLDC در اغلب مواقع به علت نیاز به درایو الکترونیکی برای این موتورها می ­باشد. برای کاربردهای تک سرعت، احتمال دارد این هزینه افزایش قیمت با وجود مزیتهای دیگر این موتور توجیه پذیر نباشد. در حالی که اگر نیاز به سرعت متغیر و یا کنترل موقعیت داشته باشیم که در هر صورت نیازمند مدارات الکترونیک هستیم آن گاه موتورهای BLDC علاوه بر اینکه مزیتهای فوق را دارند چندان هم گران محسوب نمی­ شوند. موارد متعدد استفاده از دیسک درایو تا ماشینهای ابزار همه به تکنولوژی BLDC تغییر یافته­ اند.

مراجع

[۱] PadmarjaYedamale , “Brushless DC (BLDC) Motor Fundemantals”, MICROCHIP, AN885. Year 2003

[۲] Mohammad Mubeen , “Brushless DC Motor Primer” , Last Revision ,july 2008