Как сделать двигатель BLDC: основные принципы и архитектура системы

Как сделать двигатель BLDC: основные принципы и архитектура системы

Понимание как сделать двигатель BLDC начинается с понимания того, почему существует бесщеточный двигатель постоянного тока и чем он принципиально отличается от коллекторных двигателей постоянного тока, которые он заменил. Коллекторный двигатель постоянного тока использует физические угольные щетки, которые прижимаются к вращающемуся кольцу коммутатора, переключая направление тока в обмотках ротора при вращении двигателя. Этот механизм коммутации создает трение, выделяет тепло, производит электрический шум и со временем изнашивается по мере разрушения угольных щеток и разрушения поверхности коллектора. В двигателе BLDC отсутствуют щетки и коллектор за счет размещения постоянных магнитов на роторе и обмоток на статоре, а также за счет использования электронного переключения (контроллер BLDC) для коммутации тока вместо механического контакта.

В результате получился двигатель отсутствие износа контактных поверхностей , значительно более высокая эффективность (обычно От 85 до 95 % против 60–85 % для коллекторных двигателей. ), гораздо меньший слышимый шум, более высокая удельная мощность (больше мощности на килограмм массы двигателя) и срок службы, измеряемый тысячами часов, а не сотнями. Эти преимущества объясняют, почему двигатели BLDC вытеснили коллекторные двигатели в самых разных приложениях: от жестких дисков компьютеров и приводов дронов до стиральных машин и, что особенно важно для этой статьи, бытовых и коммерческих вентиляторов воздушного охлаждения.

Конструкция двигателя BLDC: пошаговый процесс сборки

Следующие шаги описывают как сделать двигатель BLDC из основных компонентов, включая конфигурации как с внутренним (традиционным), так и с внешним ротором. Конфигурация внешнего ротора подробно описана, поскольку она является доминирующей конструкцией для Двигатель воздушного охлаждения BLDC и Внешний двигатель воздушного охладителя BLDC приложения.

1. Шаг 1: Спроектируйте пакет пластин статора. Статор состоит из стопки тонких пластин кремнистой стали (обычно Толщина от 0,35 до 0,5 мм ) штампован до необходимой геометрии зуба и паза. Для статора с 12 пазами (наиболее распространенная конфигурация для 4-полюсных или 8-полюсных двигателей BLDC) 12 пазов расположены радиально вокруг центрального отверстия. Высота стопки пластин определяет осевую длину двигателя и пропорциональна его выходной мощности. В каждом слоте будет находиться одна фаза трехфазной обмотки.
2. Шаг 2: Намотайте катушки статора. Медный магнитный провод (с эмалевой изоляцией) наматывается на каждый зуб статора в указанное количество витков. В трехфазном двигателе 12 пазов катушек намотаны по повторяющейся схеме A-B-C-A-B-C, при этом каждая фаза состоит из 4 наборов катушек, соединенных последовательно или параллельно в зависимости от желаемого напряжения и токовых характеристик двигателя. Калибр провода определяет номинальный ток: более толстый провод пропускает больший ток, но требует больше места в каждом слоте. Типичные сечения проводов для небольших двигателей BLDC (от 30 до 300 Вт) варьируются от Диаметр от 0,3 мм до 1,2 мм .
3. Шаг 3: Изолируйте и закрепите обмотку. После намотки катушки статора должны быть электрически изолированы от сердечника из кремнистой стали и механически закреплены. Это достигается путем нанесения катушечных изоляторов или вкладышей в пазы перед намоткой, а затем пропитки статора лаком (обычно полиэфирной или эпоксидной смолой) в вакууме и отверждения его в печи при температуре От 120 до 150 градусов Цельсия . Затвердевший лак фиксирует обмотки на месте, улучшает передачу тепла от катушек к корпусу статора, защищает эмалированную изоляцию проводов от механических повреждений и влаги.
4. Шаг 4: Соберите узел ротора. В двигателе BLDC с внешним ротором ротор состоит из стальной чашки или корпуса с постоянными магнитами, прикрепленными к его внутренней окружности. Магниты расположены вокруг внутренней стенки с чередующейся полярностью север-юг, причем количество полюсов магнита находится в определенном соотношении к количеству пазов статора. Для статора с 12 пазами обычное количество полюсов составляет 8 полюсов (12N8P), 10 полюсов (12N10P) или 14 полюсов (12N14P). Каждый полюс представляет собой отдельный магнит дугового сегмента, прикрепленный к корпусу ротора с помощью конструкционного клея (обычно это высокотемпературная эпоксидная смола, рассчитанная на 150 градусов Цельсия или выше).
5. Шаг 5. Установите датчики Холла. Три датчика Холла расположены на корпусе статора в точке на расстоянии 120 электрических градусов друг от друга (для 4-полюсного двигателя физическое расстояние составляет 60 механических градусов; для 8-полюсного двигателя — 30 механических градусов). Датчики обнаруживают магнитное поле магнитов ротора по мере их прохождения, генерируя цифровые сигналы (высокого или низкого уровня), комбинация которых кодирует положение ротора в 6 различных состояниях на каждый электрический оборот. Эти сигналы подключаются к контроллеру через 5-проводной жгут (общая земля, питание 5 В и три сигнальные линии).
6. Шаг 6: Соберите механический корпус. Статор запрессован в корпус центральной опоры вала или прикручен к нему болтами. Корпус ротора установлен на прецизионных подшипниках (обычно на двух экранированных радиальных шарикоподшипниках), которые позволяют ему плавно вращаться вокруг статора. Предварительная нагрузка и выравнивание подшипника имеют решающее значение для бесшумной работы и длительного срока службы; чрезмерная предварительная нагрузка приводит к быстрому износу подшипника, а недостаточная предварительная нагрузка приводит к появлению осевого люфта, вызывающего вибрацию и шум.
7. Шаг 7: Соберите и подключите контроллер BLDC. Контроллер трехфазного моста (либо дискретная схема, состоящая из МОП-транзисторов, драйверов затворов и микроконтроллера, либо интегрированная микросхема контроллера BLDC, такая как Allegro A4960, Texas Instruments DRV8305 или STMicroelectronics L6234) подключается к трем выводам фазы двигателя и сигналам датчика Холла. Контроллер интерпретирует состояния датчика Холла и переключает МОП-транзисторы в шестиступенчатой ​​последовательности коммутации для управления двигателем. Частота ШИМ обычно устанавливается на от 16 до 32 кГц для тихого неслышного переключения.

Ключевые параметры конструкции при создании двигателя BLDC

При проектировании или сборке двигателя BLDC с нуля необходимо рассчитать и сбалансировать следующие параметры:

Рейтинг Kv: понимание константы скорости

Kv (константа скорости) является наиболее важной характеристикой для характеристики скорости и крутящего момента двигателя BLDC. Kv определяется как количество оборотов двигателя в минуту (об/мин) на каждое напряжение, подаваемое на клеммы двигателя при работе без нагрузки. Двигатель с КВ 500 об/мин/В работает со скоростью 5000 об/мин при питании 10 В (без нагрузки). Двигатель с КВ 100 об/мин/В работает всего со скоростью 1000 об/мин при напряжении 10 В, но генерирует пропорционально больший крутящий момент.

Для двигателя воздушного охладителя BLDC, работающего непосредственно от источника переменного тока 230 В (выпрямленного до пикового напряжения примерно 325 В постоянного тока или регулируемого до более низкого напряжения постоянного тока с помощью источника питания), Kv необходимо выбирать так, чтобы двигатель работал с целевой скоростью вентилятора при доступном напряжении. Скорость вращения вентилятора 350 об/мин от регулируемого источника постоянного тока 24 В требует напряжения примерно 350 разделить на 24, или примерно 15 об/мин/В. , что достигается за счет использования большего количества витков обмотки и характерно для высокомоментных и тихоходных вентиляторных двигателей с внешним ротором.

Двигатель BLDC воздушного охладителя: почему технология BLDC заменяет асинхронные двигатели с конденсаторным питанием в воздухоохладителях

Двигатель воздушного охлаждения BLDC представляет собой значительную технологическую модернизацию по сравнению с однофазными асинхронными двигателями с конденсаторным питанием, которые десятилетиями доминировали на рынке испарительных воздухоохладителей для жилых и коммерческих помещений. Чтобы понять, почему происходит этот переход, необходимо сравнить две технологии по всем соответствующим параметрам производительности.

Энергосбережение: финансовое обоснование перехода на двигатель BLDC с воздушным охлаждением

energy savings from replacing a conventional induction motor with an Air Cooler BLDC motor are substantial and produce meaningful reductions in electricity bills over the motor's operating life. A typical calculation:

• Условное энергопотребление двигателя: 75 Вт непрерывно в режиме охлаждения
• Потребляемая мощность двигателя BLDC: 30 Вт для эквивалентного воздушного потока
• Ежедневное время работы: 10 часов (типичное использование в жаркую погоду)
• Экономия энергии в день: (75 минус 30) Вт x 10 часов = 0,45 кВтч в день
• Сезонная экономия (5 месяцев): 0,45 кВтч x 150 дней = 67,5 кВтч за сезон
• Экономия затрат при $0,15/кВтч: примерно 10 долларов США за сезон за холодильник . Для дома с тремя воздухоохладителями, работающими летом, общая годовая экономия составит примерно 30 долларов в год только в электричестве.

На рынках с более высокими тарифами на электроэнергию (Европа, Великобритания, некоторые части Азии) или в коммерческих приложениях, где многие воздухоохладители работают дольше, экономическое обоснование использования двигателя Air Cooler BLDC еще более убедительно. Завод с 20 воздухоохладителями, работающими 16 часов в день, экономит примерно 4320 кВтч за сезон от той же технологической модернизации, что представляет собой значительное снижение эксплуатационных расходов.

Электрические характеристики двигателя BLDC воздушного охладителя и требования к источнику питания

Моторные агрегаты Air Cooler BLDC для бытовых воздухоохладителей доступны в двух основных электрических конфигурациях:

• Модуль двигателя BLDC с входом переменного тока: motor and its dedicated controller board are sold as an integrated assembly that connects directly to the 230V AC (or 120V AC in North America) mains supply. The controller's power supply section converts AC to the internal DC bus voltage (typically 12V to 48V DC) that drives the BLDC motor. The user simply connects the 230V AC supply and receives a complete variable-speed motor output. These modules are the simplest to retrofit into existing air cooler enclosures and are the most common format in the retail and OEM market.
• Вход постоянного тока BLDC двигатель: motor requires a separate DC power supply (typically 12V, 24V, or 48V DC). This configuration is used in solar-powered air coolers where the DC supply comes directly from photovoltaic panels or a battery bank, and in applications where the DC bus is already available from an existing power system. A Двигатель воздушного охлаждения BLDC, 24 В постоянного тока, мощностью от 30 до 50 Вт. является наиболее распространенной спецификацией испарительных охладителей на солнечной энергии, предназначенных для автономного использования в сельской местности и сельском хозяйстве.

Внешний двигатель воздушного охлаждения BLDC: принципы конструкции внешнего ротора и интеграция вентилятора

External BLDC Air Cooler Motor (outer-rotor or external-rotor BLDC motor) is the optimal motor architecture for direct-drive fan applications, and its adoption in the air cooler industry represents not just an energy efficiency improvement but a fundamental mechanical simplification. In an outer-rotor design, the permanent magnet rotor is a bell-shaped or cup-shaped assembly that rotates around the outside of the stationary stator. The fan blades are attached directly to the outer face of the rotor bell, converting the motor and fan into a single integrated rotating assembly.

Как сделать внешний двигатель воздушного охлаждения BLDC: детали конструкции

Конструкция двигателя внешнего воздушного охлаждения BLDC из компонентов отличается от конструкции внутреннего ротора по нескольким важным аспектам. Следующие подробности охватывают конкретные различия и проблемы конструкции внешнего ротора:

• Статор geometry for outer-rotor configuration: В двигателе с внешним ротором зубцы статора направлены радиально наружу, а не внутрь. Пластины статора имеют центральное отверстие для опоры вала и направленные наружу зубья, вокруг которых наматываются катушки. Процесс намотки для статоров с внешним ротором немного сложнее, поскольку зубья направлены в сторону от центра, и катушки необходимо наматывать вокруг каждого зуба индивидуально, а не вставлять в пазы, как в конструкциях с внутренним ротором. В производстве используются автоматические машины для намотки рулонов; Для ручной намотки требуется небольшое приспособление для намотки катушки на каждый зуб.
• Ротор bell construction: rotor bell (or cup) for an External BLDC Air Cooler Motor is typically a deep-drawn steel shell, though aluminium castings or injection-moulded high-temperature plastic with steel inserts are used in some low-cost designs. The inner circumference of the bell must be machined to a precise cylindrical bore dimension that sets the air gap (the space between the inner surface of the magnets and the outer tips of the stator teeth). This air gap must be от 0,3 до 0,8 мм для типичного небольшого двигателя воздушного охлаждения, обслуживаемого с точностью по всей окружности, чтобы предотвратить неравномерное магнитное притяжение, которое может вызвать вибрацию.
• Магнитное соединение в колоколе ротора: arc-segment permanent magnets (typically Спеченный NdFeB марок от N42 до N48 для высокопроизводительных двигателей или твердый феррит для экономичных двигателей с охлаждением) приклеены к внутренней стенке колокола ротора с помощью конструкционной эпоксидной смолы. Перед склеиванием магниты необходимо расположить с соблюдением правильной полярности (попеременно север-юг) и зафиксировать в приспособлении, пока клей затвердеет. Стопорное кольцо из немагнитной нержавеющей стали или ленты, армированной стекловолокном, оборачивается вокруг колокола ротора снаружи после приклеивания магнитов, чтобы обеспечить механическое удержание против центробежной силы, действующей на магниты при максимальной рабочей скорости.
• Интеграция лопастей вентилятора: fan blade assembly of the air cooler (typically a multi-blade axial fan or a paddle fan, depending on the cooler design) is attached to the outer face of the rotor bell. In factory-built External BLDC Air Cooler Motor units, the fan blades are directly moulded or cast as part of the rotor bell casting, creating a single piece that serves as both rotor and fan impeller. In retrofit or modular designs, the fan hub attaches to the rotor bell via bolt flanges or a spline interface, with the bolt circle diameter and pitch matched to the specific fan hub specification.
• Выбор подшипника для влажной среды: Воздухоохладители по своей конструкции работают во влажных условиях (механизм охлаждения предполагает испарение воды с влажных площадок). Двигатель внешнего воздушного охладителя BLDC подвергается воздействию влажной среды, а также может подвергаться воздействию брызг воды из системы распределения воды. Подшипники для двигателей воздушного охлаждения BLDC должны быть Герметичные подшипники типа 2RS (резиновые уплотнения с обеих сторон) с антикоррозийной смазкой, рассчитанной на работу во влажных условиях. Эти герметичные подшипники предотвращают попадание влаги в дорожку качения подшипника и сохраняют смазку даже после многих лет эксплуатации во влажной среде, не требуя повторной смазки.

Характеристики двигателя внешнего воздушного охладителя BLDC по размеру охладителя

Характеристики двигателя внешнего воздушного охладителя BLDC в первую очередь соответствуют производительности воздушного охладителя, измеряемой в кубических метрах в час (м3/ч) или кубических футах в минуту (CFM). В следующей таблице показаны типичные характеристики двигателей для охладителей разных размеров:

Контроллер двигателя BLDC: электронный мозг, лежащий в основе бесщеточной работы

Ни одно обсуждение того, как создать систему двигателя BLDC, не будет полным без обращения к контроллеру, поскольку двигатель BLDC не может работать без своей электронной схемы коммутации. Двигатель и контроллер взаимозависимы: эксплуатационные характеристики двигателя полностью определяются качеством, сложностью и соответствием контроллера двигателю.

Шестиступенчатая коммутация: основная последовательность операций

standard BLDC motor controller operates on six-step (or trapezoidal) commutation. At any moment during motor operation, two of the three phase windings are energised and the third is left floating. The six-step sequence works as follows:

1. Шаг 1: Фаза A положительная, фаза B отрицательная, фаза C плавающая. Ток течет от A к B через статор, создавая магнитную силу, которая притягивает ближайший полюс магнита ротора к зазору зуба под напряжением.
2. Шаг 2: Фаза A положительная, фаза B плавающая, фаза C отрицательная. Датчик Холла обнаруживает, что ротор переместился в следующее положение, и контроллер переключается на эту новую комбинацию фаз, сдвигая вращающееся магнитное поле на 60 электрических градусов.
3. Шаги с 3 по 6: pattern continues through the remaining four phase combinations: B positive/C negative, B positive/A negative, C positive/A negative, and C positive/B negative. Each step advances the rotating field by 60 electrical degrees, and six steps complete one full electrical revolution (which corresponds to one full mechanical revolution divided by the number of pole pairs).

Эта последовательность из шести шагов повторяется со скоростью, равной электрической частоте двигателя. Двигатель с 8 полюсами (4 пары полюсов), вращающийся со скоростью 750 об/мин, имеет электрическую частоту 750 об/мин x 4 пары, разделенные на 60 секунд = 50 Гц . Контроллер переключает состояния коммутации при В 6 раз больше этой частоты или 300 раз в секунду. , с которым легко справляется микроконтроллер внутри драйвера BLDC.

Синусоидальная коммутация против шестиступенчатой: плавность и шумоподавление

Для применений с воздушным охлаждением, где бесшумная работа имеет высокий приоритет, синусоидальная (ориентированное на поле управление, FOC) коммутация обеспечивает значительное улучшение по сравнению с базовой шестиступенчатой коммутацией. Вместо резкого переключения между дискретными комбинациями фаз синусоидальное управление применяет плавно изменяющиеся синусоидальные токи ко всем трем фазам одновременно, создавая непрерывно вращающееся магнитное поле, а не ступенчатое. В результате значительно снижаются пульсации крутящего момента и шум двигателя.

Контроллер двигателя BLDC с воздушным охлаждением премиум-класса, реализующий синусоидальное управление FOC, обычно снижает слышимый шум двигателя за счет от 5 до 15 дБ(А) по сравнению с шестиступенчатым контроллером, приводящим в действие тот же двигатель, что является очень существенной разницей, учитывая, что снижение на 10 дБ воспринимается примерно как половина громкости. Для воздухоохладителей в спальнях или офисных охладителях, где чувствительность к шуму самая высокая, настоятельно рекомендуется использовать синусоидальный контроллер, хотя он стоит несколько дороже, чем простой шестиступенчатый драйвер.

Выбор и установка двигателя BLDC с воздушным охлаждением: практическое руководство для производителей оригинального оборудования и специалистов по модернизации

Независимо от того, являетесь ли вы производителем оригинального оборудования для воздухоохладителей (OEM), выбирающим двигатели для новой линейки продуктов, или конечным пользователем, модернизирующим существующий воздухоохладитель двигателем с внешним воздушным охладителем BLDC для снижения энергопотребления, следующие практические рекомендации охватывают ключевые вопросы выбора и установки.

Согласование мощности двигателя с требованиями к воздушному потоку охладителя

motor power must be sufficient to drive the fan at the required airflow against the system's static pressure resistance (the resistance of the wet pads, ductwork, and other airflow restrictions). For a residential evaporative air cooler, the typical total system resistance is от 5 до 20 Паскалей , и вентилятор должен преодолевать это сопротивление, обеспечивая при этом необходимый воздушный поток.

В качестве практического руководства по выбору: на каждые 1000 м3/ч требуемого воздушного потока при общем статическом давлении 10 Паскалей двигателю требуется примерно Мощность на валу от 5 до 8 Вт . Разделив на КПД двигателя (обычно от 85 до 90 % для качественного двигателя BLDC), получим требуемую входную электрическую мощность. Охладитель производительностью 3000 м3/ч при 15 Паскалях требует примерно от 45 до 72 Вт мощности на валу, что означает Двигатель BLDC мощностью от 50 до 80 Вт. уместно при учете КПД двигателя.

Контрольный список установки для модернизации двигателя внешнего воздушного охладителя BLDC

При дооснащении существующего воздухоохладителя двигателем воздушного охладителя с внешним BLDC перед заказом двигателя на замену проверьте следующее:

• Диаметр ступицы вентилятора и окружность болтов: Точно измерьте существующий интерфейс крепления ступицы вентилятора. Фланец колокола ротора двигателя BLDC должен соответствовать существующему диаметру окружности болтов ступицы вентилятора и расстоянию между болтами, или необходимо приобрести совместимую переходную пластину.
• Интерфейс монтажа двигателя: Измерьте размеры существующего монтажного кронштейна двигателя (расположение монтажных отверстий, диаметр вала, если применимо). Корпус статора двигателя BLDC должен соответствовать существующему кронштейну или необходимо изготовить переходной кронштейн.
• Доступная глубина установки: Измерьте осевую глубину кожуха вентилятора от плоскости лопастей вентилятора до задней стенки кожуха. Осевой размер двигателя BLDC (высота пакета плюс глубина колокола ротора) должен вписываться в это пространство как минимум с зазор 10 мм к задней стенке.
• Направление вращения: Подтвердите необходимое направление вращения вентилятора (по часовой стрелке или против часовой стрелки, если смотреть спереди). Двигатели BLDC можно реверсировать, поменяв местами любые два из трех фазных проводов или с помощью параметра конфигурации в прошивке контроллера. Убедитесь, что новый двигатель и контроллер поддерживают реверс направления, если оригинальный охладитель имеет функцию реверса.
• Электрическое подключение: BLDC motor module's AC input must be connected with proper earthing, with cable cross-section appropriate for the motor's rated current, and with an appropriately rated upstream circuit breaker. For motors below 100 watts, a 6-amp miniature circuit breaker is standard; for larger commercial motors up to 500 watts, a 10-amp MCB is appropriate.

Часто задаваемые вопросы о двигателях BLDC и системах воздушного охлаждения