ساختار و نحوه عملکرد فن کامپیوتر PC

مقدمه

موتورهای بدون جاروبک کاربردهای فراونی در زندگی روزمره ما دارند. فن کامپیوتر PC نیز از موتورهای بدون جاروبک محسوب می شود. نحوه ساخت این موتورها، ساختار و عملکردشان موضوع این مقاله است. از شما خوانندگان عزیز دعوت می کنیم تا انتهای مطلب ما را همراهی کنید.

فن های کامپیوتر اساسا موتور BLDC هستند که پره های به آنها متصل شده است که حرکت این پره ها هوا را به گردش در می آورد. این فن ها فصل مشترک تمام کامپیوترهای شخصی هستند و با تکنولوژیهای متفاوتی تولید می شوند. این موتور را می توان به عنوان نوع پیشرفته موتور DC دسته بندی کرد. کلمه BLDC مخفف چهار کلمه Brush-less Direct Curent (جریان مستقیم بدون جاروبک) است. از اینرو این موتورها جاروبک ندارند.

یک موتور DC بدون جاروبک (BLDC) چگونه ساخته شده است؟

الکتروموتور DC بدون جاروبک بر خلاف موتور DC با جاروبک دارای یک روتور می باشد قطعات آهنربای دائم بر روی آن نصب شده است. معمولا ۴ آهنربا در گرداگرد استاتور قرار گرفته است. این چهار آهنربا با الگوی متقاطع ۹۰ درجه ­ای بین هم قرار می گیرند. مزیت اصلی موتورهای بدون جاروبک این است که به علت اینکه روتور از آهنربای دائم تشکیل شده است به هیچ منبع توانی نیاز ندارد. و در نتیجه نیازی به اتصالات الکتریکی نیست. و در نتیجه به کموتاتور و جاروبک نیز نیاز ندارد. و این موتور نیز بدین جهت بدون جاروبک نام گرفته است.

این ویژگی موتور BLDC باعث افزایش قابلیت اطمینان و راحتی آن شده است. علاوه بر این موتورهای بدون جاروبک بسیار بیصدا بوده و راندمان مصرف انرژی بالایی دارند. جهت یادآوری مطلب عکس زیر از مقاله انواع مختلف فن کامپیوتر PC در این وبلاگ مجددا آورده شده است. در این شکل یک فن کامپیوتر تشریح شده است.

یک موتور DC بدون جاروبک یک اختلاف عمده دیگر نیز با نوع با جاروبک دارد. در تئوری عملکرد موتورهای با جاروبک در کتب آموزشی تشریح گردیده است که نقش جاروبک رساندن توان به روتور و کموتاتور نقش یکسوسازی گشتاور خروجی را در یک موتور الکتریکی با جاروبک بر عهده دارند.اما یک موتور BLDC نه جاروبک دارد و نه کموتاتور از اینرو در حقیقت راهی برای اینکه بفهمیم روتور در هر لحظه کجا قرار گرفته است وجود ندارد. اما در عمل راه های مختلفی برای یافتن موقعیت روتور وجود دارد.

گهگاه از انکودرهای گردان در امتداد کنترل کننده برای یافتن زاویه قرارگیری روتور استفاده می­شود. برخی دیگر از دو سنسور اثر هال و اغلب از یک سنسور برای این کار استفاده می­ کنند. سنسور اثر هال در یک موقعیت مناسب قرار می­ گیرد. این سنسور می ­تواند تمایز دهد که قطب شمال و یا جنوب روبروی آن قرار گرفته است. سنسور هال سپس سیگنال مناسب را برای کنترل کننده موتور ارسال می­ کند. در ادامه کنترل کننده با سوئیچ کردن سیم پیچها به صورت مناسب باعث ایجاد گشتاور می ­شود. و این سیکل ادامه می­ یابد. همان گونه که دریافت شد این مساله اصلی موتورهای DC بدون جاروبک است. آنها برای کار کردن نیاز به مدارهای کنترل کننده دارند. اما هنگامی که قابلیت اطمینان نیاز باشد این موتور مناسب­ ترین انتخاب است.

موتورهای بدون جاروبک چگونه کار می کنند؟

ترفند اصلی کارکرد موتور BLDC، سنسور هال نصب شده در استاتور است. عکس مقابل یک سنسور هال را نشان می­ دهد. عکس از یک فن کامپیوتر گرفته شده است. (بله فن کامپیوتر یک موتور BLDC است) .

برای درک بهتر چگونگی عملکرد سنسور هال نسبت به موقعیت روتور، یک انیمیشن از موتور با دو قطب مغناطیسی و دو سیم پیچی در شکل زیر نشان داده شده است. قطبهای مغناطیسی هر دو قطب جنوب هستند.

سنسور هال قطعه کوچکی در کنار آهنربای الکتریکی است. وقنی که قطب جنوب را حس می کند سیم پیچها خاموش می­شوند. هنگامی که سنسور میدان مغناطیسی را دریافت نکند ( و یا در مقابل قطب شمال قرار گیرد) ، آنگاه سیم پیچها برقدار می­گردند. هر دو سیم پیچ پلاریته مغناطیسی قطب شمال را دارند. بنابراین قطب مخالف را دفع کرده و در نتیجه گشتاور ایجاد می­شود. اگر شما یک پروب را در خروجی سنسور هال قرار دهید مشاهده می­کنید که در یک چرخش کامل روتور، سنسور هال دو مرتبه HIGH و دو مرتبه LOW می­گردد.شکل موجهای زیر در صفحه اسیلوسکوپ دیده می­شوند.

مزیت بزرگ دیگری که در استفاده از موتورهای بدون جاروبک وجود دارد این است که سیگنال سنسور که برای کنترل سوئیچ زنی سیم پیچها استفاده می­ شود. می­ تواند جهت اندازه­ گیری سرعت موتور نیز مورد استفاده قرار گیرد. یا می­توان با استفاده از آن پی برد که موتور کار می­ کند یا متوقف است. در حقیقت این سیگنال همان چیزی است که از سیم سوم فن­های PC دریافت می­ گردد. (یا ۴ سیمه­ ها که در مقاله جداگانه­ ای تشریح گردیده ­اند) این فنها هیچ مدار اضافه ای برای اندازه­ گیری سرعت ندارند. و از سیگنال سنسور هال استفاده می­ کنند. هر دوران کامل دو پالس ایجاد می­ کند. با یک مدار ساده اندازه گیری فرکانس می ­توان با دقت سرعت موتور را تعیین کرد.

یک موتور بدون جاروبک با چهار سیم پیچ

در قسمت قبلی اصول کار یک موتور بدون جاروبک با دو سیم پیچی و دو عدد آهنربای دائمی تشریح گردید. اما در عمل موتورهای BLDC معمولا چهار سیم پیچ و چهار آهنربا دارند. همچنین سنسور هال علاوه بر اینکه می­تواند تشخیص دهد که در مقابل میدان مغناطیسی قرار گرفته است می ­تواند قطب شمال و یا جنوب بودن آن را نیز تعیین کند. یک موتور واقعی همانند شکل زیر است.

در فضای محیط روتور، چهار مگنت با الگوی N-S-N-S قرار دارد. سیم­ پیچی بوبینها همه در یک جهت نیستند و ۲ بوبین مجاور هیچ وقت پلاریته یکسان ندارند. بوبینها به صورت جفتی به هم متصل شده­اند. هر کدام با بوبین مخالف متصل شده اند. یا می توان گفت در دو زوج به صورت شکل بالا هستند. ساده ترین چرخه عملکرد هنگامی است که قطب مقابل سنسور هال قرار گرفته است. کنترل کننده زوج بوبین مناسب را خاموش و یا روشن می کند. انیمیشن زیر سیکل کاری مورد نظر را تشریح می­کند.

هنگامی که سنسور هال بین دو قطب قرار می گیرد.

چه اتفاقی خواهد افتاد در حالتی که روتور در حالتی که سنسور هال دقیفا بین دو قطب متضاد قرار گرفته متوقف شده باشد؟ به شکل زیر توجه کنید.

اگر این حالت رخ دهد، حالا سنسور هال دقیقا نمی ­تواند تشخیص دهد که کدام قطب روبروی آن قرار گرفته است. خوب، خیلی مهم نیست فرض کنید که سنسور قطب را اشتباهی تشخیص دهد و برق را به بوبینهای اشتباه وصل کند. چه رخ خواهد داد؟ برای کسری از ثانیه موتور سعی می کند در جهت اشتباه بچرخد اما بعد از چند درجه چرخش قطب درست روبروی سنسور هال قرار می­ گیرد و فورا بوبینها تعویض می­ شوند.

بدین سان، موتور سرانجام در جهت درست به چرخش ادامه می­ دهد. اما در هنگامی که موتور یک بار حساس را می چرخاند یک چرخش خلاف جهت حتی زیر ۵ درجه هم نباید رخ بدهد. برای حل این موضوع به یک سنسور هال دیگر نیاز است.سنسور دومی با اختلاف ۴۵ درجه ­ای نسبت به سنسور اول قرار می­ گیرد. حالا اگر سنسور هال اول هم نتواند موقعیت درست را تشخیص دهد. سنسور هال دومی به درستی موقعیت قطبهای مغناطیسی را تشخیص خواهد داد. کنترل کننده سیگنالی را به عنوان سیگنال درست تشخیص می­ دهد که شدت بیشتری داشته باشد.

در پایان

موتور کامپیوتر PC  دارای یک روتور می باشد که قطعات آهنربای دائم بر روی آن نصب شده است. مزیت اصلی موتورهای بدون جاروبک این است که به علت اینکه روتور از آهنربای دائم تشکیل شده است به هیچ منبع توانی نیاز ندارد. ترفند اصلی کارکرد موتور BLDC، سنسور هال نصب شده در استاتور است.

.اگر شما نیز تجربه و نظریاتی در این باره دارید، با ما به اشتراک بگذارید

منبع؛  pcbheaven.com