Estructura, funcionamiento y aplicación de BLDC (motor de CC sin escobillas)
Motor CC sin escobillas (BLDC) Estos motores son un área de gran interés para muchos fabricantes de motores, ya que son cada vez más populares en muchas aplicaciones, especialmente en la tecnología de control de motores. Los motores BLDC tienen muchas ventajas sobre los motores de CC con escobillas, como su capacidad para funcionar a altas velocidades, alta eficiencia y buena disipación de calor.
Son una parte integral de la tecnología de accionamiento moderna y se utilizan con mayor frecuencia en accionamientos, máquinas herramienta, propulsión eléctrica, robótica, periféricos informáticos e incluso generación de energía. El desarrollo de la tecnología sin sensores más allá del control digital ha hecho que estos motores sean muy efectivos en términos de costo, tamaño y confiabilidad general del sistema.
¿Qué es un motor CC sin escobillas (BLDC)??
Los motores de CC sin escobillas (también conocidos como BLDC) son motores eléctricos síncronos de imanes permanentes. Es accionado por electricidad de corriente continua (CC) y, en lugar de un sistema de conmutación mecánico, utiliza un sistema de conmutación controlado electrónicamente (la conmutación es la conmutación del motor al cambiar las corrientes de fase a través del motor en los momentos apropiados). produce un par rotacional). Los motores BLDC también se conocen como motores de imanes permanentes trapezoidales.
A diferencia de los motores de CC con escobillas tradicionales, donde las escobillas están en contacto mecánico con el conmutador del rotor, formando un camino eléctrico entre la fuente de alimentación de CC y los devanados del inducido del rotor, los motores BLDC utilizan rotación de imanes permanentes. Adopta la conmutación eléctrica con el niño y el estator. fila de bobinas. En este motor, los imanes permanentes (o polos de campo) giran y los conductores activos están fijos.
Las bobinas del inducido se conmutan electrónicamente mediante transistores o rectificadores controlados por silicio en la posición correcta del rotor, de modo que el campo del inducido esté en el espacio ortogonal a los polos del campo del rotor. Por lo tanto, cualquier fuerza que actúe sobre el rotor hará que gire. sensor de pasillo O los codificadores rotatorios se usan más comúnmente para detectar la posición del rotor y se colocan alrededor del estator. La retroalimentación de la posición del rotor de los sensores ayuda a determinar cuándo cambiar la corriente de armadura.
Este conmutador electrónico elimina el sistema conmutador y las escobillas del motor de CC, lo que da como resultado un funcionamiento más fiable y silencioso. Debido a que no hay escobillas, los motores BLDC pueden funcionar a altas velocidades. Los motores BLDC suelen tener una eficiencia del 85 al 90 %, mientras que los motores de CC con escobillas tienen una eficiencia del 75 al 80 %. Hay varios tipos de motores BLDC disponibles, desde pequeños rangos de potencia hasta caballos de fuerza fraccionarios, caballos de fuerza integrales y grandes rangos de potencia.
Estructura del motor BLDC
Los motores BLDC se pueden construir en una variedad de configuraciones físicas. Dependiendo de los devanados del estator, estos pueden configurarse como motores monofásicos, bifásicos o trifásicos. Sin embargo, los motores BLDC trifásicos con rotores de imanes permanentes son los más utilizados.
La construcción de este motor tiene muchas similitudes con los motores de inducción trifásicos, así como con los motores de CC convencionales. Este motor tiene partes de estator y rotor como todos los demás motores.
El estator de un motor BLDC, que consta de láminas de acero laminado y lleva los devanados. Estos devanados se colocan en ranuras cortadas axialmente a lo largo de la circunferencia interior del estator. Estos devanados se pueden organizar en estrella o delta. Sin embargo, la mayoría de los motores BLDC tienen un estator trifásico conectado en estrella.
Cada devanado consta de muchas bobinas interconectadas, con una o más bobinas colocadas en cada ranura. Cada uno de estos devanados se distribuye alrededor del estator para formar un número par de polos.
El estator debe seleccionarse con el voltaje nominal correcto de acuerdo con la capacidad de la fuente de alimentación. Los motores BLDC con voltajes de 48 V e inferiores se recomiendan para aplicaciones de robótica, automoción y accionamiento pequeño. Las aplicaciones industriales y los sistemas de automatización utilizan motores de más de 100 V.
rotor
Los motores BLDC tienen imanes permanentes integrados en el rotor. El número de polos del rotor varía de 2 polos con polos norte y sur alternos a 8 pares de polos según los requisitos de la aplicación. Lograr el par máximo en un motor requiere una alta densidad de flujo magnético en el material. Producir la densidad de campo magnético requerida requiere un material magnético adecuado para el rotor.
Los imanes de ferrita son económicos, pero tienen una baja densidad de flujo magnético para un volumen determinado. Los imanes de aleación de tierras raras se usan comúnmente para nuevos diseños. Estas aleaciones incluyen samario cobalto (SmCo), neodimio (Nd) y ferrita y boro (NdFeB). Los rotores se pueden configurar con diferentes configuraciones de núcleo, como núcleos circulares con imanes permanentes a su alrededor, núcleos circulares con imanes rectangulares.
sensor de pasillo
Los sensores Hall proporcionan información para sincronizar la excitación de la armadura del estator con la posición del rotor. La conmutación en un motor BLDC se controla electrónicamente, por lo que los devanados del estator deben energizarse en secuencia para hacer girar el motor. Antes de energizar un devanado de estator en particular, se debe verificar la posición del rotor. Los sensores de efecto Hall integrados en el estator detectan la posición del rotor.
La mayoría de los motores BLDC incorporan tres sensores Hall integrados en el estator. Cada sensor produce una señal baja y alta cada vez que un polo del rotor pasa por el sensor. La secuencia de conmutación exacta de los devanados del estator se puede determinar en función de las respuestas combinadas de estos tres sensores.
Principio de funcionamiento y funcionamiento del motor BLDC
Los motores BLDC funcionan según un principio similar al de los motores de CC convencionales: la ley de fuerza de Lorentz. La ley de fuerza de Lorentz establece que cada vez que un conductor que transporta corriente se coloca en un campo magnético, se genera una fuerza. Como resultado de la fuerza de reacción, el imán experimenta la misma fuerza opuesta. En los motores BLDC, los conductores que transportan corriente están estacionarios mientras que los imanes permanentes se mueven.
Cuando las bobinas del estator son activadas eléctricamente por una fuente de alimentación, se convierten en electroimanes y comienzan a generar un campo magnético uniforme en el entrehierro. Aunque la fuente de alimentación es de corriente continua, la conmutación genera una forma de onda trapezoidal de tensión alterna. El rotor sigue girando debido a la fuerza de interacción entre el estator del electroimán y el rotor del imán permanente.
Considere el siguiente diagrama donde el estator de un motor se excita en función de diferentes estados de conmutación. Cambiar los devanados como señales altas y bajas energiza los devanados correspondientes como polos norte y sur. Un rotor de imanes permanentes con polos norte y sur se alinea con los polos del estator que hacen girar el motor.
Observe que el motor produce par debido al desarrollo de fuerzas de atracción (para arreglos norte-sur o norte-sur) y fuerzas repulsivas (para arreglos norte-sur o sur-sur). De esta manera el motor gira en el sentido de las agujas del reloj.
Ahora se le puede preguntar cómo sabe qué bobinas del estator necesitan ser energizadas y cuándo energizarlas. La razón de ello es que la rotación continua del motor depende de la secuencia de conmutación de las bobinas. Como se mencionó anteriormente, los sensores Hall proporcionan información sobre la posición del eje a la unidad de control electrónico.
Con base en esta señal del sensor, el controlador decide qué bobina específica energizar. Un sensor de efecto Hall produce una señal de nivel bajo y alto cada vez que pasa un polo del rotor. Estas señales determinan la posición del eje.
Motor de CC sin escobillas
Como se describió anteriormente, el circuito del controlador electrónico energiza los devanados del motor apropiados mediante la rotación de transistores u otros interruptores de estado sólido para hacer que el motor gire continuamente. La siguiente figura muestra Un circuito de accionamiento de motor BLDC simple Consiste en un puente MOSFET (también llamado puente inversor), un controlador electrónico, sensores de efecto Hall y un motor BLDC.
Los sensores de efecto Hall se utilizan aquí para la retroalimentación de posición y velocidad. Los controladores electrónicos pueden ser unidades de microcontroladores, microprocesadores, procesadores DSP, unidades FPGA u otros controladores. Este controlador recibe y procesa estas señales y envía señales de control a los circuitos del controlador MOSFET.
Además de cambiar la velocidad nominal del motor, la electrónica adicional cambia la velocidad del motor según la aplicación requerida. Estas unidades de control de velocidad generalmente se implementan con controladores PID para un control preciso. También es posible generar movimiento de cuatro cuadrantes a partir de un motor mientras se mantiene una buena eficiencia en las variaciones de velocidad utilizando variadores modernos.
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Ventajas de los motores BLDC
Los motores BLDC tienen varias ventajas sobre los motores DC tradicionales, algunas de las cuales son
- Sin conmutador mecánico y problemas relacionados
- Alta eficiencia mediante la adopción de un rotor de imanes permanentes
- Sin cepillos limitadores de velocidad, por lo que funciona rápido bajo y sin carga
- Geometría de motor más pequeña y liviana que los motores de CC con escobillas y de CA de inducción
- Sin inspección ni mantenimiento del sistema del conmutador, larga vida
- Alta respuesta dinámica debido a la baja inercia y devanados del estator
- menos interferencia electromagnética
- Funcionamiento silencioso (o bajo nivel de ruido) debido a que no hay escobillas
Desventajas de los motores sin escobillas
- estos motores son caros
- El controlador electrónico requerido para controlar este motor es costoso.
- No hay muchas soluciones de control electrónico integrado disponibles, especialmente para motores BLDC pequeños
- Requiere un circuito de accionamiento complejo
- Necesidad de sensores adicionales
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Aplicaciones de motores CC sin escobillas (BLDC)
Motor CC sin escobillas (BLDC) usado Cumple con una variedad de requisitos de aplicación, incluidas aplicaciones de carga variable, carga constante y posicionamiento en áreas como el control industrial, la automoción, la aviación, los sistemas de automatización y los equipos sanitarios. Las aplicaciones específicas de los motores BLDC incluyen:
- Disco duro de la computadora y reproductor de DVD/CD
- Vehículos eléctricos, vehículos híbridos, bicicletas eléctricas
- Robots industriales, máquinas herramienta CNC, sistemas simples de transmisión por correa
- lavadora, compresor, secadora
- ventiladores, bombas, sopladores
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