¿Cómo funciona un motor BLDC? Una explicación detallada de los principios de los motores CC sin escobillas

Durante las últimas dos o tres décadas, debido al avance continuo de la tecnología electrónica y los materiales magnéticos permanentes,motores BLDCse han transformado de motores de nicho a soluciones de energía 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, muchas personas aún no conocen los principios operativos de los motores BLDC. Este artículo explicará todo lo que necesita saber 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 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 formado por láminas de acero laminadas al silicio y alrededor de él se enrollan bobinas para crear varios polos de electroimán.

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

Sensores Hall: Para determinar la posición del rotor y la retroalimentación al sistema de control electrónico.

Controlador: Un sistema de control electrónico que determina el tiempo de la corriente que fluye a través de los devanados del estator basándose en la retroalimentación de los sensores Hall u otros mecanismos de retroalimentación.

Vale la pena señalar que la estructura del motor BLDC outrunner es única en comparación con la estructura del rotor interno. El rotor está afuera y el estator está adentro. Este tipo de diseño prevalece especialmente en aplicaciones que requieren un par elevado, como el accionamiento de hélices de drones.

Los principios del electromagnetismo: la base del funcionamiento del motor BLDC

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

Ley de Ampere: Cuando un conductor que transporta corriente está en un campo magnético, el conductor estará sujeto a una fuerza. El estator de un motor BLDC está construido con devanados de cobre enrollados y, después de que estos devanados se energizan, 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 líneas de campo magnético o se encuentra en un campo magnético cambiante. Se utiliza ampliamente en control sin sensores, donde la posición del rotor se detecta detectando las fuerzas electromotrices traseras.

Estos principios se aplican en el diseño de motores industriales sin escobillas. Lo logran regulando con precisión 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 BLDC

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

Conmutación 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 devanados trifásicos están encendidos, mientras que una fase está apagada.

Retroalimentación del sensor Hall: Los sensores Hall detectan la posición de los imanes permanentes del rotor, de modo que el controlador puede determinar qué devanado debe activarse y la dirección de la corriente.

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

Los motores BLDC grandes suelen adoptar estrategias de control más complejas, como el control vectorial o el accionamiento por onda sinusoidal, para lograr una salida de par más suave y una mayor eficiencia.

El papel del controlador en un sistema de motor BLDC

El motor BLDC no puede funcionar por sí solo y debe combinarse con un controlador electrónico especializado:

El controlador del motor: normalmente un puente inversor trifásico basado en potencia MOSFET o IGBT que conmuta la ruta de la corriente según la señal de control.

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

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

Función de protección segura: protección contra sobrecorriente, protección contra sobretemperatura, protección contra bajo voltaje, etc.

Las aplicaciones de los sistemas de motores BLDC de 48 V están muy extendidas en bicicletas eléctricas, vehículos eléctricos pequeños y algunas otras aplicaciones industriales. Su controlador y circuitos de manejo necesitan lidiar con voltajes y corrientes más altos y generalmente tienen un conjunto más complejo de funciones de rendimiento y protección.

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

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

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

Buenas características de velocidad-par: Proporciona una amplia gama de salida de par.

Mayor vida útil: sin elementos de desgaste mecánico, la vida útil sólo está limitada en última instancia por los rodamientos.

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

Bajo nivel de ruido e interferencias electromagnéticas: no se generan chispas ni ruidos por la conmutación de las escobillas.

Debido a su estructura especial, el motor BLDC outrunner es más capaz de proporcionar un par mayor a bajas velocidades, lo que lo hace especialmente adecuado 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 opción de fuente de alimentación en equipos de automatización e instrumentos de precisión.

Los algoritmos de control de los motores BLDC

La moderna tecnología de control BLDC más desarrollada ha superado este sencillo 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 sencillo de poner en práctica, pero produce ondas de torsión de amplitud considerable.

Control sinusoidal: acciona el motor mediante corriente sinusoidal, lo que puede reducir la ondulación del par del motor y hacer que el funcionamiento sea más suave.

Control orientado al campo (FOC): Al aplicar una transformación matemática, la corriente trifásica se traduce al sistema de coordenadas giratorias para su control, lo que conduce a un control de par y una eficiencia energética óptimos.

Tecnología de fusión de sensores: integra múltiples señales de retroalimentación (por ejemplo, sensores Hall, codificadores y muestreo de corriente) para una mejor precisión y solidez del control.

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

Conclusión: principios de funcionamiento y ventajas de los motores BLDC

motores BLDCcontrolar con precisión la corriente en los devanados del estator a través de un sistema de control electrónico e interactuar 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 motores BLDC de 48 V, los motores de CC sin escobillas, con su alta eficiencia, alta confiabilidad 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 magnéticos permanentes, podemos prever que los motores BLDC tendrán una perspectiva de aplicación más amplia y un rendimiento más sobresaliente.

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