¿Cómo funciona un motor BLDC: una explicación detallada de los principios de los motores DC sin escobillas?

En las últimas dos o tres décadas, debido al avance continuo de la tecnología electrónica y los materiales de imán permanentes,Motores BLDCse han transformado de motores de nicho a soluciones de potencia convencionales para diversas industrias.Motores BLDCse han utilizado ampliamente en aplicaciones, incluidos electrodomésticos, herramientas eléctricas, vehículos eléctricos y equipos de automatización industrial debido a su alta eficiencia, alta confiabilidad y larga vida útil. Sin embargo, los principios operativos de los motores BLDC aún no son conocidos por muchas personas. Este artículo explicará lo que necesite para darse cuenta sobre el principio de funcionamiento de los motores BLDC para que pueda obtener una visión más detallada de esta increíble innovación en la ingeniería eléctrica actual.

La estructura básica de un motor de BLDC

Ahora, antes de entrar en el principio de funcionamiento, debemos familiarizarnos con su estructura básica:

Estator: fijado dentro de la carcasa del motor, generalmente está compuesto de láminas de acero de silicio laminadas, y las bobinas se enrollan a su alrededor para crear varios postes de electromagnet.

Rotor: el rotor generalmente está montado en el eje y contiene imanes permanentes. Los motores BLDC se pueden clasificar en varias variedades en función de las diversas configuraciones de los imanes permanentes.

Sensores del salón: para determinar la posición del rotor y la retroalimentación al sistema de control electrónico.

Controlador: un sistema de control electrónico que determina el momento de la corriente que fluye a través de los devanados del estator en función de la retroalimentación de los sensores del salón u otros mecanismos de retroalimentación.

Vale la pena señalar que la estructura del motor OutRunner BLDC es única de la estructura del rotor interno. El rotor está afuera y el estator está adentro. Este tipo de diseño es especialmente frecuente en aplicaciones que requieren un alto torque, como en el impulso de las hélices de drones.

Los principios del electromagnetismo: la base de la operación del motor BLDC

Dos principios básicos del electromagnetismo determinan el funcionamiento de un motor BLDC:

Ley de amperios: cuando un conductor de transporte actual está en un campo magnético, el conductor será sometido a una fuerza. El estator de un motor BLDC está construido con devanados de cobre en espiral, y después de que estos devanados están energizados, crean un campo magnético que interactúa entre los imanes permanentes del rotor para generar una fuerza que proporciona el movimiento mecánico para que el rotor gire.

Ley de inducción electromagnética de Faraday: se inducirá una fuerza electromotriz en un conductor cuando corta las líneas de campo magnético o está en un campo magnético cambiante. Se usa ampliamente en el control sin sensor, donde la posición del rotor se detecta detectando las fuerzas electromotivas posteriores.

Estos principios se aplican en el diseño de motores industriales sin escobillas. Lo logran regulando finamente la corriente que fluye a través de los devanados del estator, asegurando interacciones electromagnéticas favorables con los imanes permanentes del rotor para lograr una alta eficiencia y estabilidad.

El proceso de conmutación de un motor de BLDC

El mecanismo de trabajo más importante en el motor BLDC se llama conmutación electrónica. Es el factor de distinción más importante y clave entre los motores sin escobillas y los motores cepillados tradicionales.

Principio de conmutación: la conmutación es el proceso de cambiar la dirección del flujo de corriente con respecto a las bobinas del motor para que pueda existir una interacción electromagnética continua entre el rotor y el estator, lo que crea un par continuo.

Commutación de seis pasos: el método de control tradicional de los motores BLDC divide el ciclo eléctrico en seis pasos. En cada paso, dos de los vientos trifásicos están alimentados, mientras que una fase está apagada.

Comentarios del sensor del salón: los sensores del salón detectan la posición de los imanes permanentes del rotor, para que el controlador pueda determinar qué devanado debe estar energizado y la dirección actual.

Control sin sensor: un método más avanzado es determinar la posición del rotor monitoreando la fuerza electromotriz posterior en la fase no energizada, no se necesitan sensores de pasillo para implementar esta estrategia compleja, lo que resulta en una mayor confiabilidad de la unidad.

Los motores Big BLDC generalmente adoptan estrategias de control más complejas, como la unidad de onda sinusoidal o el control de vectores, para lograr una salida de torque más suave y una mayor eficiencia.

El papel del controlador en un sistema de motor BLDC

BLDC Motor no puede trabajar por sí solo y necesita combinarse con un controlador electrónico especializado:

El controlador del motor: generalmente un inversor de puente trifásico basado en potencia MOSFET o IGBT que cambia la ruta de corriente de acuerdo con la señal de control

Microcontrolador: recibe señales del sensor de posición, realiza algoritmos de control y genera señales PWM para conducir los dispositivos de alimentación.

Control de circuito cerrado: proporciona un control de velocidad preciso o control de posición basado en las necesidades de la aplicación.

Función de protección segura: protección excesiva, protección de sobre-temperatura, protección por debajo de voltaje, etc.

Las aplicaciones para sistemas de motor BLDC 48V están muy extendidos en bicicletas eléctricas, pequeños vehículos eléctricos y algunas otras aplicaciones industriales. Su controlador y circuitos de manejo deben lidiar con voltajes y corrientes más altos y, por lo general, tener un conjunto más complejo de funciones de rendimiento y protección.

Las características de rendimiento y los escenarios de la aplicación de los motores BLDC

Ahora echemos un vistazo a sus ventajas de rendimiento después de aprender los principios de operación motora del BLDC:

Alta eficiencia: debido a la ausencia de pérdidas por fricción de cepillos y conmutadores, su eficiencia suele ser superior al 85%, incluso por encima del 95% en algunos casos.

Buenas características de velocidad de velocidad: proporciona una amplia gama de salida de par.

Gran vida útil: sin elementos de desgaste mecánico, la vida útil solo está limitada por los rodamientos.

Eficiencia mejorada de disipación de calor: contacto directo entre los devanados del estator y la carcasa del motor para una disipación de calor más efectiva.

Bajo ruido e interferencia electromagnética: no hay chispas y ruido generados por la conmutación del cepillo.

Debido a su estructura especial, el motor OutRunner BLDC es más capaz de proporcionar un mayor torque a bajas velocidades, lo que los hace especialmente adecuados para sistemas de accionamiento directo, como hélices y ventiladores de drones, etc. Con las ventajas de estabilidad y durabilidad, el motor sin escobillas lo convierte en la elección del suministro de alimentación en los equipos de automatización y los instrumentos de precisión.

Los algoritmos de control de los motores de BLDC

La tecnología de control BLDC moderna más desarrollada ha superado este simple método de conmutación de seis pasos:

Control de onda trapezoidal: el método de control más básico es una forma de onda de corriente trapezoidal. Es simple poner en práctica pero produce ondas de torque de considerable amplitud.

Control sinusoidal: conducir el motor por corriente sinusoidal, lo que puede reducir la ondulación de torque del motor y hacer que la carrera sea más suave.

Control orientado al campo (FOC): al aplicar una transformación matemática, la corriente trifásica se traduce al sistema de coordenadas giratorias para el control, lo que lleva a un control de torque óptimo y una eficiencia energética.

Tecnología de fusión del sensor: integra múltiples señales de retroalimentación (por ejemplo, sensores de pasillo, codificadores y muestreo actual) para una mejor precisión de control y robustez.

Debido a los desafíos en las aplicaciones de alta potencia, como la gestión térmica, la optimización de la eficiencia y la respuesta dinámica, los algoritmos de control más sofisticados se usan típicamente para los motores Big BLDC.

Conclusión: los principios y ventajas de trabajo de los motores BLDC

Motores BLDCControle con precisión la corriente en los devanados del estator a través de un sistema de control electrónico e interactúe con los imanes permanentes del rotor para lograr una conversión eficiente de energía eléctrica en energía mecánica. Desde pequeños dispositivos electrónicos de consumo hasta grandes equipos industriales, desde aplicaciones de bajo voltaje hasta sistemas de motor BLDC de 48 V, motores de CC sin escobillas, con su alta eficiencia, alta fiabilidad y excelente rendimiento de control, están impulsando el progreso tecnológico y la mejora de la eficiencia energética en diversas industrias. Con el desarrollo continuo de la tecnología de control electrónico y los materiales de magnet permanente, podemos prever que BLDC Motors tendrá una perspectiva de aplicación más amplia y un rendimiento más destacado.

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