č. 8, Duxiu San Road, Ganlin Town, Shengzhou City, Shaoxing City, Zhejiang Province, Čína
Ako vyrobiť BLDC motor zahŕňa konštrukciu bezkomutátorového motora na jednosmerný prúd z piatich základných subsystémov: stator s navinutými fázami medenej cievky, zostava rotora nesúca permanentné magnety, systém snímačov polohy (snímače Hallovho efektu alebo detekcia spätného EMF), trojfázový elektronický regulátor rýchlosti (ovládač ESC alebo BLDC) a mechanický kryt, ktorý vyrovnáva a podporuje rotujúce a stacionárne zostavy. An Motor Air Cooler BLDC je bezkomutátorový jednosmerný motor špeciálne vybraný a nakonfigurovaný pre prevádzku ventilátora odparovacieho vzduchového chladiča, kde sú primárne konštrukčné požiadavky nízka spotreba energie (18 až 55 wattov) tichá prevádzka, vysoká účinnosť pri nízkych až stredných otáčkach ventilátora a spoľahlivosť pri nepretržitej niekoľkohodinovej dennej prevádzke vo vlhkých podmienkach. An Motor externého vzduchového chladiča BLDC (nazývaný tiež motor BLDC s vonkajším rotorom alebo vonkajším rotorom) využíva konštrukciu, v ktorej sa rotor s permanentným magnetom otáča okolo vonkajšej strany stacionárneho statora, namiesto toho, aby sa v ňom otáčal, čo je ideálna architektúra pre aplikácie ventilátorov s priamym pohonom, pretože zostava lopatiek ventilátora sa montuje priamo na vonkajší okraj rotora s veľkým priemerom bez potreby prevodovky alebo spojky. Táto kompletná príručka zahŕňa úplnú inžiniersku teóriu, praktické kroky konštrukcie a špecifické výberové kritériá pre všetky tri témy.
Porozumenie ako vyrobiť BLDC motor začína pochopením, prečo bezkomutátorový jednosmerný motor existuje a ako sa zásadne líši od kartáčovaných jednosmerných motorov, ktoré nahradil. Kartáčovaný jednosmerný motor využíva fyzické uhlíkové kefky, ktoré tlačia na rotujúci krúžok komutátora na prepínanie smeru prúdu vo vinutí rotora pri otáčaní motora. Tento komutačný mechanizmus vytvára trenie, generuje teplo, vytvára elektrický šum a časom sa opotrebuje, pretože uhlíkové kefky erodujú a povrch komutátora sa zhoršuje. BLDC motor eliminuje kefy aj komutátor umiestnením permanentných magnetov na rotor a vinutia na stator a pomocou elektronického spínania (regulátor BLDC) na komutáciu prúdu namiesto mechanického kontaktu.
Výsledkom je motor s žiadne opotrebiteľné kontaktné plochy , výrazne vyššia účinnosť (zvyčajne 85 až 95 % v porovnaní so 60 až 85 % pre kefované motory ), oveľa nižší počuteľný hluk, vyššia hustota výkonu (viac výkonu na kilogram hmotnosti motora) a životnosť meraná v tisíckach hodín namiesto stoviek. Tieto výhody vysvetľujú, prečo motory BLDC nahradili brúsené motory v aplikáciách od pevných diskov počítačov a pohonu dronov až po práčky a, čo je pre tento článok kritické, ventilátory chladičov vzduchu pre domácnosti a komerčné účely.
Stacionárne jadro nesúce vinuté medené cievky. Stator generuje rotujúce magnetické pole, keď sa na jeho vinutia aplikuje trojfázový prúd v správnom poradí. Statorové lamely sú vyrobené z kremíkovej ocele, aby sa minimalizovali straty vírivými prúdmi.
Otočná zostava nesúca neodýmové alebo feritové permanentné magnety. Rotor sleduje rotujúce magnetické pole generované statorom a vytvára mechanické otáčanie. V konštrukciách s vonkajším rotorom rotor obklopuje stator.
Tri snímače Hallovho efektu umiestnené 120 stupňov od seba detegujú polohu magnetu rotora a hlásia ju riadiacej jednotke. Regulátor používa tieto údaje o polohe na postupné napájanie správnych fáz statorovej cievky, pričom zachováva plynulé otáčanie.
Elektronický regulátor otáčok číta signály Hallovho snímača a poháňa šesť výkonových MOSFET v trojfázovom mostíkovom obvode, aby priviedol napätie na vinutia statora v správnom poradí komutácie. PWM regulácia upravuje rýchlosť.
Nasledujúce kroky popisujú ako vyrobiť BLDC motor z komponentov jadra, ktoré pokrývajú konfiguráciu vnútorného rotora (tradičnú) aj konfiguráciu vonkajšieho rotora. Konfigurácia vonkajšieho rotora je špecificky detailná, pretože ide o dominantný dizajn Motor Air Cooler BLDC a Motor externého vzduchového chladiča BLDC aplikácie.
Pri navrhovaní alebo stavbe motora BLDC od nuly je potrebné vypočítať a navzájom vyvážiť nasledujúce parametre:
| Parameter | Typický rozsah | Účinok zvýšenia | Účinok poklesu |
|---|---|---|---|
| Počet statorových slotov | 9, 12, 18, 24 | Hladší krútiaci moment, znížené ozubenie | Jednoduchšie navíjanie, väčší krútiaci moment |
| Počet pólov rotora | 4, 8, 10, 14 | Vyššia hustota krútiaceho momentu, nižšie maximálne otáčky | Vyššie maximálne otáčky, nižšia hustota krútiaceho momentu |
| Závity vinutia na cievku | 5 až 80 otáčok | Vyššie Kv (vyššia rýchlosť pri rovnakom napätí) | Nižšie Kv (viac krútiaceho momentu, nižšie otáčky) |
| Prierez drôtu (priemer) | 0,3 mm až 1,5 mm | Nižší odpor, vyššia prúdová kapacita | Vyšší odpor, viac tepla pri rovnakom prúde |
| Vzduchová medzera (od rotora k statoru) | 0,3 mm až 1,5 mm | Znížená magnetická väzba, nižšia účinnosť | Lepšia magnetická spojka, riziko kontaktu |
| Magnetická trieda | N35 až N52 (NdFeB) | Vyššia hustota toku, lepší výkon | Nižšie náklady, znížený tepelný odpor |
| Dĺžka stohu (axiálne) | 10 mm až 100 mm | Vyšší krútiaci moment a výkon | Kompaktnejší, ľahší, nižší výkon |
Kv (rýchlostná konštanta) je najdôležitejšou jednotlivou špecifikáciou na charakterizáciu charakteristík otáčok a krútiaceho momentu motora BLDC. Kv je definovaný ako počet otáčok za minútu (RPM), o ktoré sa motor otočí pre každý volt privedený na svorky motora, keď beží bez zaťaženia. Motor s Kv 500 ot./min beží rýchlosťou 5 000 otáčok za minútu pri napájaní 10 voltov (bez záťaže). Motor s Kv 100 RPM/V beží len pri 1 000 ot./min pri 10 voltoch, ale generuje proporcionálne väčší krútiaci moment.
Pre motor Air Cooler BLDC, ktorý beží priamo zo zdroja 230 V AC (upraveného na približne 325 V DC špičkového alebo regulovaného na nižšie jednosmerné napätie napájacím zdrojom), musí byť Kv zvolená tak, aby motor pracoval pri cieľovej rýchlosti ventilátora pri dostupnom napätí. Rýchlosť ventilátora 350 RPM z regulovaného 24V DC napájania vyžaduje Kv približne 350 delené 24 alebo približne 15 ot./min./V , ktorý sa dosahuje použitím väčšieho počtu závitov vinutia a je charakteristický pre motory ventilátorov s vonkajším rotorom s vysokým krútiacim momentom a nízkymi otáčkami.
The Motor Air Cooler BLDC predstavuje významný technologický upgrade oproti kondenzátorovým jednofázovým indukčným motorom, ktoré dominovali na trhu rezidenčných a komerčných odparovacích vzduchových chladičov po celé desaťročia. Pochopenie, prečo k tomuto prechodu dochádza, si vyžaduje porovnanie týchto dvoch technológií vo všetkých relevantných dimenziách výkonu.
Úspory energie pri výmene konvenčného indukčného motora za motor Air Cooler BLDC sú značné a prinášajú významné zníženie účtov za elektrinu počas životnosti motora. Typický výpočet:
Na trhoch s vyššími tarifami za elektrinu (Európa, Veľká Británia, časti Ázie) alebo v komerčných aplikáciách s mnohými vzduchovými chladičmi, ktoré bežia dlhšie hodiny, je ekonomický dôvod pre motor Air Cooler BLDC ešte silnejší. Továrenské poschodie s 20 vzduchovými chladičmi, ktoré bežia 16 hodín denne, šetrí približne 4 320 kWh za sezónu z tej istej modernizácie technológie, čo predstavuje výrazné zníženie prevádzkových nákladov.
Vzduchový chladič BLDC motorové jednotky pre obytné vzduchové chladiče sú dostupné v dvoch hlavných elektrických konfiguráciách:
Motor externého vzduchového chladiča BLDC (motor BLDC s vonkajším rotorom alebo s vonkajším rotorom) je optimálnou architektúrou motora pre aplikácie ventilátorov s priamym pohonom a jeho prijatie v priemysle vzduchových chladičov predstavuje nielen zlepšenie energetickej účinnosti, ale aj zásadné mechanické zjednodušenie. V konštrukcii vonkajšieho rotora je rotor s permanentným magnetom zostava v tvare zvona alebo misky, ktorá sa otáča okolo vonkajšej strany stacionárneho statora. Lopatky ventilátora sú pripevnené priamo na vonkajšiu stranu rotorového zvona, čím sa motor a ventilátor menia na jedinú integrovanú rotačnú zostavu.
Veľký priemer vonkajšieho rotora poskytuje veľký moment zotrvačnosti a veľké momentové rameno pre upevňovacie body lopatiek ventilátora. To umožňuje, aby bol ventilátor poháňaný nižšou silou (krútiacim momentom) na koreňoch lopatiek, čím sa znižuje mechanické namáhanie montážneho rozhrania.
Ventilátory chladiča vzduchu pracujú pri 200 až 800 otáčok za minútu , čo je v priamom rozsahu výstupných otáčok motora BLDC s vonkajším rotorom. Nie je potrebná žiadna prevodovka s redukciou rýchlosti, čím sa eliminuje hluk prevodovky, straty účinnosti prevodov (zvyčajne 2 až 8 %) a bod mechanického zlyhania.
Otočný vonkajší plášť motora funguje sám o sebe ako odstredivý ventilátor, ktorý nasáva vzduch cez stator z otvoreného konca a radiálne ho odvádza. Tento samostatne generovaný prúd vzduchu poskytuje nepretržité chladenie vinutia statora bez akýchkoľvek dodatočných chladiacich opatrení.
Motor s vonkajším rotorom má relatívne krátky axiálny (dĺžkový) rozmer vzhľadom na jeho priemer. Pre ventilátor chladiča vzduchu, kde sa motor musí zmestiť do hĺbky krytu ventilátora bez toho, aby nadmerne vyčnieval, je tento tvar podobný palacinky ideálny.
Konštrukcia motora externého vzduchového chladiča BLDC z komponentov sa líši od konštrukcie vnútorného rotora niekoľkými dôležitými spôsobmi. Nasledujúce podrobnosti pokrývajú špecifické rozdiely a výzvy konštrukcie vonkajšieho rotora:
Špecifikácie motora externého vzduchového chladiča BLDC sú primárne prispôsobené kapacite prietoku vzduchu vzduchového chladiča, meranej v kubických metroch za hodinu (m3/h) alebo kubických stopách za minútu (CFM). Nasledujúca tabuľka zobrazuje typické špecifikácie motora pre rôzne veľkosti chladičov:
| Typ chladiča | Prietok vzduchu (m3/h) | Výkon motora | Rozsah rýchlosti | Priemer rotora | Napájacie napätie |
|---|---|---|---|---|---|
| Osobný stolný chladič | 150 až 300 m3/h | 12 až 18 W | 600 až 1 200 ot./min | 80 až 120 mm | 12V alebo 24V DC |
| Chladnička pre malú miestnosť (20 až 40 m2) | 1 000 až 2 000 m3/h | 18 až 30 W | 350 až 900 ot./min | 150 až 200 mm | 230V AC alebo 24V DC |
| Chladnička pre strednú miestnosť (40 až 80 m2) | 3 000 až 5 000 m3/h | 30 až 50 W | 300 až 750 ot./min | 200 až 280 mm | 230V AC alebo 48V DC |
| Komerčný/priemyselný chladič | 8 000 až 20 000 m3/h | 100 až 250 W | 200 až 500 otáčok za minútu | 350 až 500 mm | 230V alebo 415V AC |
Žiadna diskusia o tom, ako vytvoriť systém motora BLDC, sa nezaobíde bez oslovenia ovládača, pretože motor BLDC nemôže fungovať bez svojho elektronického komutačného obvodu. Motor a ovládač sú vzájomne závislé: výkon motora v prevádzke je úplne určený kvalitou, sofistikovanosťou a prispôsobením ovládača motoru.
Štandardný BLDC ovládač motora pracuje na šesťstupňovej (alebo lichobežníkovej) komutácii. Kedykoľvek počas prevádzky motora sú dve z troch fázových vinutí pod napätím a tretie je ponechané plávajúce. Šesťkroková postupnosť funguje takto:
Táto šesťkroková sekvencia sa opakuje rýchlosťou rovnajúcou sa elektrickej frekvencii motora. Motor s 8 pólmi (4 páry pólov) rotujúci rýchlosťou 750 ot./min má elektrickú frekvenciu 750 ot./min. x 4 páry delené 60 sekundami = 50 Hz . Regulátor prepína komutačné stavy pri 6-násobok tejto frekvencie alebo 300-krát za sekundu , s ktorým si mikrokontrolér vo vnútri BLDC ovládača hravo poradí.
Pre aplikácie vzduchového chladiča, kde je tichá prevádzka vysokou prioritou, poskytuje sínusová (poľom orientovaná regulácia, FOC) komutácia výrazné zlepšenie oproti základnej šesťstupňovej komutácii. Namiesto náhleho prepínania medzi diskrétnymi kombináciami fáz, sínusové riadenie aplikuje plynule sa meniace sínusové prúdy na všetky tri fázy súčasne, čím sa vytvára kontinuálne rotujúce magnetické pole, a nie stupňovité. Výsledkom je výrazne znížené zvlnenie krútiaceho momentu a hluk motora.
Prémiový ovládač motora Air Cooler BLDC implementujúci sínusové ovládanie FOC zvyčajne znižuje počuteľný hluk motora 5 až 15 dB(A) v porovnaní so šesťstupňovým ovládačom poháňajúcim ten istý motor, čo je veľmi významný rozdiel vzhľadom na to, že zníženie o 10 dB je vnímané ako zhruba polovičné hlasitosť. Pre spálňové chladiče vzduchu alebo kancelárske chladiče, kde je citlivosť na hluk najvyššia, sa dôrazne odporúča sínusový ovládač, aj keď stojí o niečo viac ako jednoduchý šesťstupňový ovládač.
Či už ste výrobcom originálneho zariadenia (OEM) chladiča vzduchu, ktorý špecifikuje motory pre nový produktový rad, alebo koncovým používateľom, ktorý dodatočne vybavuje existujúci chladič vzduchu externým motorom chladiča vzduchu BLDC na zníženie spotreby energie, nasledujúce praktické pokyny pokrývajú kľúčové aspekty výberu a inštalácie.
Výkon motora musí byť dostatočný na to, aby poháňal ventilátor pri požadovanom prietoku vzduchu proti statickému tlaku systému (odpor mokrých podložiek, potrubia a iných obmedzení prúdenia vzduchu). Pre obytný odparovací chladič vzduchu je typický celkový odpor systému 5 až 20 Pascalov a ventilátor musí prekonať tento odpor a zároveň dodať požadovaný prietok vzduchu.
Ako praktický návod na dimenzovanie: na každých 1 000 m3/h požadovaného prietoku vzduchu oproti celkovému statickému tlaku 10 Pascal vyžaduje motor približne 5 až 8 wattov výkonu hriadeľa . Vydelením účinnosti motora (zvyčajne 85 až 90 % pre kvalitný BLDC motor) získate požadovaný elektrický príkon. Chladič s výkonom 3 000 m3/h oproti 15 Pascalom vyžaduje približne 45 až 72 wattov výkonu hriadeľa, čo znamená BLDC motor s výkonom 50 až 80 W je vhodné pri zohľadnení účinnosti motora.
Pri dodatočnej montáži existujúceho vzduchového chladiča motorom externého vzduchového chladiča BLDC si pred objednaním náhradného motora overte nasledovné:
DC149 220V/700W externý motor BLDC vzduchového chladiča
DC149 220V 850W Externý motor vzduchového chladiča BLDC
DC144 220V 600W externý motor BLDC vzduchového chladiča
DC144 220V 600W externý motor BLDC vzduchového chladiča
Y2-100-10 380V 1500W motor ventilátora zo sklenených vlákien
DC149 220V 850W externý motor BLDC vzduchového chladiča