Como funcionam os motores DC sem escova (BLDC)

A postagem detalha de forma abrangente o conceito operacional básico de motores DC sem escova, também chamados de motor BLDC.

Diferença entre motores DC com escovas e sem escova

Em nossos motores escovados tradicionais, as escovas são utilizadas para comutar o rotor móvel central em relação ao estator de ímã permanente adjacente.

As escovas tornam-se imperativas porque o rotor é feito com eletroímãs que precisam de energia para operar, mas como também precisa girar as coisas tornam-se desajeitadas e as escovas se tornam a única alternativa para fornecer energia ao rotor eletromagnético giratório.

Pelo contrário, nos motores DC sem escova ou motores BLDC, temos um estator central estacionário e um rotor circular circundante. O estator é composto por um conjunto de eletroímãs, enquanto o rotor possui ímãs permanentes fixados em seu perímetro em determinadas posições calculadas.

Usando sensores de efeito Hall

O mecanismo também possui um sensor de efeito Hall que é instalado a fim de detectar a posição do rotor e seus ímãs em relação ao eletroímã do estator e informar os dados a um circuito de chaveamento externo que então se torna responsável por ativar / desativar os eletroímãs no sequência ou tempo correto, influenciando um movimento rotacional no rotor.

A explicação acima pode ser entendida com a ajuda da seguinte ilustração básica e, em seguida, por meio de um design elaborado nas imagens subsequentes.

Aprendemos e sabemos algumas coisas interessantes sobre ímãs e como esses dispositivos interagem.

Sabemos que um Pólo Norte do ímã atrai o Pólo Sul de outro ímã enquanto pólos semelhantes se repelem.

Como os ímãs permanentes são posicionados

No diagrama mostrado acima, vemos um disco com um ímã embutido em sua borda (mostrado na cor vermelha), que está posicionado com o pólo norte voltado para fora, e também um eletroímã colocado em uma proximidade paralela à borda circular do disco que produz um campo magnético sul quando energizado.

Agora, supondo que o arranjo esteja posicionado conforme mostrado no primeiro diagrama superior com o eletroímã em um estado desativado.

Nesta posição, assim que o eletroímã é ativado com uma entrada DC apropriada, ele atinge e gera um campo magnético do sul influenciando uma força de tração sobre o ímã do disco que, por sua vez, força o disco a girar com algum torque até que seu ímã permanente fique em linha com os eletroímãs opõem linhas de fluxo.

A ação acima mostra o formato básico no qual o conceito BLDC funciona.

Como o motor BLDC funciona com sensores de efeito Hall

Agora vamos ver como o conceito acima é implementado usando sensores de efeito Hall para sustentar um movimento contínuo sobre o rotor.

O diagrama de exemplo a seguir explica o mecanismo de forma abrangente:

No diagrama acima, vemos basicamente um arranjo de rotor / estator BLDC simples, onde o elemento circular externo é o rotor giratório, enquanto o eletroímã central se torna o estator fixo.

O rotor pode ser visto tendo um par de ímãs permanentes fixados na periferia que têm o pólo sul como linhas de fluxo influenciadoras, o estator central é um eletroímã forte que é projetado para gerar uma força equivalente de fluxo magnético do pólo norte quando energizado com um DC externo.

Também podemos visualizar um sensor Hall situado próximo a um dos cantos da periferia interna do rotor. O efeito Hall detecta fundamentalmente o campo magnético do rotor em rotação e envia o sinal a um circuito de controle responsável por alimentar os eletroímãs do estator.

Referindo-se à posição superior, vemos a área em branco (que não tem nenhum campo magnético) do rotor em contato próximo com o sensor Hall mantendo-o em um estado desligado.

Neste instante, o sinal de desligamento do efeito hall informa o circuito de controle para LIGAR os eletroímãs, o que induz instantaneamente um efeito de tração no pólo sul do rotor que fica logo depois da esquina.

Quando isso acontece, o pólo sul desce em ondas produzindo o torque necessário no rotor e tenta se alinhar em linha com o pólo norte do eletroímã.

No entanto, no processo, o pólo sul do rotor também se puxa para perto do sensor hall (conforme mostrado no diagrama inferior) que imediatamente detecta isso e liga informando o circuito de controle para desligar os eletroímãs.

O tempo de desligamento dos eletroímãs é crucial

Desligar os eletroímãs no momento certo, conforme sinalizado pelo sensor de efeito Hall, proíbe a estolagem e o impedimento do movimento do rotor, ao invés disso, permite que ele continue com o movimento através do torque gerado até que a posição anterior comece a se moldar, e até o corredor o sensor mais uma vez 'sente' a área em branco do rotor e é desligado repetindo o ciclo.

A alternância acima do sensor Hall de acordo com as várias posições do rotor inflige um movimento rotacional contínuo com um toque que pode ser diretamente proporcional às interações magnéticas estator / rotor e, claro, o posicionamento do efeito Hall.

As discussões acima explicam os dois magnetos mais fundamentais, um mecanismo de sensor de hall.

A fim de atingir torques excepcionalmente mais altos, mais ímãs e conjuntos de eletroímãs são empregados em outros motores sem escova de maior eficiência, em que mais de um sensor de efeito Hall pode ser visto para implementar a detecção múltipla dos ímãs do rotor, de modo que diferentes conjuntos de eletroímãs possam ser trocados no sequência correta preferida.

Como controlar o motor BLDC

Até agora, entendemos o conceito básico de trabalho de Motores BLDC e aprendemos como um sensor Hall é usado para ativar o eletroímã do motor por meio de um circuito eletrônico externo conectado para sustentar um movimento de rotação contínuo do rotor. Na próxima seção, estudaremos como o circuito acionador BLDC realmente funciona para controlar os motores BLDC

O método de implementação de um eletroímã de estator fixo e um rotor magnético livre rotativo garante maior eficiência aos motores BLDC em comparação com os motores com escovas tradicionais que têm exatamente a topologia oposta e, portanto, requerem escovas para as operações do motor. O uso de escovas torna os procedimentos relativamente ineficientes em termos de longa vida, consumo e tamanho.

Desvantagem do Motor BLDC

Embora os tipos BLDC possam ser o conceito de motor mais eficiente, tem uma desvantagem significativa de exigir um circuito eletrônico externo para operá-lo. No entanto, com o advento de ICs modernos e sensores Hall sensíveis, este problema agora parece ser bastante trivial quando comparado com o alto grau de eficiência envolvido com este conceito.

4 Driver Magnético BLDC O Design

No presente artigo, estamos discutindo um circuito de controle simples e básico para um motor BLDC do tipo sensor de hall único de quatro ímãs. A operação do motor pode ser entendida referindo-se ao seguinte diagrama do mecanismo do motor:

A imagem acima mostra um arranjo de motor BLDC básico com dois conjuntos de ímãs permanentes na periferia de um rotor externo e dois conjuntos de eletroímãs central (A, B, C, D) como o estator.

A fim de iniciar e manter um torque rotacional, os eletroímãs A, B ou C, D devem estar em um estado ativado (nunca juntos), dependendo das posições dos pólos norte / sul do ímã do rotor em relação aos eletroímãs ativados.

Como funciona o driver do motor BLDC

Para ser mais preciso, vamos assumir a posição mostrada no cenário acima com A e B em um estado LIGADO de forma que o lado A seja energizado com o pólo sul enquanto o lado B seja energizado com o pólo norte.

Isso significaria que o lado A estaria exercendo um efeito de tração sobre seu polo norte azul esquerdo e um efeito repelente em seu polo sul direito do estator, da mesma forma que o lado B estaria puxando o polo sul vermelho inferior e repelindo o norte superior pólo do rotor ... todo o processo poderia então ser assumido como exercendo um movimento impressionante no sentido horário sobre o mecanismo do rotor.
Suponhamos também que, na situação acima, o sensor Hall está em um estado desativado, pois pode ser um dispositivo sensor Hall 'ativado pelo pólo sul'.

O efeito acima tentaria alinhar e forçar o rotor de modo que o sul trave face a face com o lado B, enquanto o pólo norte com o lado A, no entanto, antes que esta situação seja capaz de ocorrer, o sensor Hall é trazido em estreita proximidade com o deslocando o pólo sul superior do rotor, e quando este apenas transita pelo sensor Hall, é forçado a ligar, enviando um sinal positivo para o circuito de controle conectado que responde instantaneamente e desliga os eletroímãs A / B e liga os eletroímãs C / D, certificando-se de que o momento horário do rotor é mais uma vez executado, mantendo um torque rotacional consistente no rotor.

Circuito de driver BLDC básico

A alternância explicada acima dos eletroímãs em resposta ao sinal de acionamento do sensor Hall pode ser implementada de forma muito simples usando a seguinte ideia de circuito de controle BLDC simples.

O circuito não precisa de muita explicação, pois é muito básico, durante as situações de ativação do sensor Hall, o BC547 e o TIP122 acoplado são correspondentemente LIGADOS, o que por sua vez LIGA os conjuntos correspondentes de eletroímãs anexados em seu coletor e positivo , durante os períodos de desligamento do sensor Hall, o par BC547 / TIP122 é desligado, mas o transistor TIP122 da extrema esquerda é ligado ativando os conjuntos opostos de eletroímã.

A situação é alternada, continuamente, enquanto a energia permanecer aplicada, mantendo o BLDC girando com os torques e impulso necessários.