Nr 8, Duxiu San Road, miasto Ganlin, miasto Shengzhou, miasto Shaoxing, prowincja Zhejiang, Chiny
Sposób wykonania silnika BLDC obejmuje zbudowanie bezszczotkowego silnika prądu stałego z pięciu podukładów rdzenia: stojana z uzwojonymi fazami cewki miedzianej, zespołu wirnika z magnesami trwałymi, systemu czujników położenia (czujniki z efektem Halla lub wykrywanie wstecznego pola elektromagnetycznego), trójfazowego elektronicznego regulatora prędkości (sterownik ESC lub BLDC) oraz obudowy mechanicznej, która wyrównuje i podtrzymuje zespoły obrotowe i stacjonarne. An Silnik BLDC chłodnicy powietrza to bezszczotkowy silnik prądu stałego wybrany i skonfigurowany specjalnie do pracy z wentylatorem chłodnicy wyparnej, gdzie występują podstawowe wymagania projektowe niski pobór mocy (18 do 55 watów) , cichą pracę, wysoką wydajność przy niskich i średnich prędkościach wentylatora oraz niezawodność w ciągłej, wielogodzinnej codziennej pracy w wilgotnych warunkach. An Silnik zewnętrznej chłodnicy powietrza BLDC (zwany także silnikiem BLDC z wirnikiem zewnętrznym lub silnikiem BLDC z wirnikiem zewnętrznym) wykorzystuje konstrukcję, w której wirnik z magnesami trwałymi obraca się wokół zewnętrznej strony nieruchomego stojana, a nie wiruje w jego wnętrzu, co stanowi idealną architekturę do zastosowań z wentylatorami z napędem bezpośrednim, ponieważ zespół łopatek wentylatora jest montowany bezpośrednio do zewnętrznej krawędzi wirnika o dużej średnicy bez konieczności stosowania przekładni lub sprzęgła. Ten kompletny przewodnik obejmuje pełną teorię inżynierii, praktyczne etapy konstrukcji i kryteria wyboru specyficzne dla aplikacji dla wszystkich trzech tematów.
Zrozumienie jak zrobić silnik BLDC zaczyna się od zrozumienia, dlaczego istnieje bezszczotkowy silnik prądu stałego i czym zasadniczo różni się od szczotkowych silników prądu stałego, który zastąpił. Szczotkowy silnik prądu stałego wykorzystuje fizyczne szczotki węglowe, które dociskają się do obracającego się pierścienia komutatora, aby zmienić kierunek prądu w uzwojeniach wirnika podczas obrotu silnika. Ten mechanizm komutacyjny powoduje tarcie, generuje ciepło, wytwarza szum elektryczny i z czasem ulega zużyciu w miarę erozji szczotek węglowych i degradacji powierzchni komutatora. Silnik BLDC eliminuje zarówno szczotki, jak i komutator, umieszczając magnesy trwałe na wirniku i uzwojenia na stojanie oraz wykorzystując elektroniczne przełączanie (sterownik BLDC) do komutacji prądu zamiast styku mechanicznego.
Rezultatem jest silnik z brak ścierających się powierzchni stykowych , znacznie wyższą wydajność (zwykle 85 do 95% w porównaniu z 60 do 85% w przypadku silników szczotkowych ), znacznie niższy słyszalny poziom hałasu, większa gęstość mocy (więcej mocy na kilogram masy silnika) i żywotność mierzona w tysiącach godzin, a nie w setkach. Te zalety wyjaśniają, dlaczego silniki BLDC wyparły silniki szczotkowe w zastosowaniach od dysków twardych komputerów i napędów dronów po pralki i, co najważniejsze w przypadku tego artykułu, wentylatory chłodnic powietrza w budynkach mieszkalnych i komercyjnych.
Rdzeń stacjonarny z uzwojonymi cewkami miedzianymi. Stojan wytwarza wirujące pole magnetyczne, gdy do jego uzwojeń zostanie przyłożony prąd trójfazowy w odpowiedniej kolejności. Laminacje stojana są wykonane ze stali krzemowej, aby zminimalizować straty prądu wirowego.
Zespół obrotowy z magnesami trwałymi neodymowymi lub ferrytowymi. Wirnik podąża za wirującym polem magnetycznym generowanym przez stojan, powodując obrót mechaniczny. W konstrukcjach z wirnikiem zewnętrznym wirnik otacza stojan.
Trzy czujniki Halla rozmieszczone co 120 stopni wykrywają położenie magnesu wirnika i zgłaszają je do sterownika. Sterownik wykorzystuje te dane pozycji do sekwencyjnego zasilania odpowiednich faz cewki stojana, utrzymując płynny obrót.
Elektroniczny regulator prędkości odczytuje sygnały czujnika Halla i steruje sześcioma tranzystorami MOSFET mocy w trójfazowym obwodzie mostka, aby przyłożyć napięcie do uzwojeń stojana we właściwej kolejności komutacji. Sterowanie PWM dostosowuje prędkość.
Poniższe kroki opisują jak zrobić silnik BLDC z podstawowych komponentów, obejmujących zarówno konfiguracje wirnika wewnętrznego (tradycyjne), jak i konfiguracje wirnika zewnętrznego. Konfiguracja wirnika zewnętrznego jest szczególnie szczegółowa, ponieważ jest to dominujący projekt Silnik BLDC chłodnicy powietrza i Silnik zewnętrznej chłodnicy powietrza BLDC aplikacje.
Projektując lub budując od podstaw silnik BLDC, należy obliczyć i porównać ze sobą następujące parametry:
| Parametr | Typowy zasięg | Efekt wzrostu | Efekt spadku |
|---|---|---|---|
| Liczba szczelin stojana | 9, 12, 18, 24 | Płynniejszy moment obrotowy, zmniejszone zaczepy | Prostsze nawijanie, większy moment obrotowy |
| Liczba biegunów wirnika | 4, 8, 10, 14 | Wyższa gęstość momentu obrotowego, niższe maksymalne obroty | Wyższe maksymalne obroty, niższa gęstość momentu obrotowego |
| Zwoje uzwojenia na cewkę | 5 do 80 obrotów | Wyższe Kv (wyższa prędkość przy tym samym napięciu) | Niższy Kv (większy moment obrotowy, niższa prędkość) |
| Grubość drutu (średnica) | 0,3 mm do 1,5 mm | Niższy opór, większa pojemność prądowa | Wyższa rezystancja, więcej ciepła przy tym samym prądzie |
| Szczelina powietrzna (wirnik – stojan) | 0,3 mm do 1,5 mm | Zmniejszone sprzężenie magnetyczne, niższa wydajność | Lepsze sprzężenie magnetyczne, ryzyko kontaktu |
| Stopień magnesu | N35 do N52 (NdFeB) | Wyższa gęstość strumienia, lepsza wydajność | Niższy koszt, zmniejszony opór cieplny |
| Długość stosu (osiowa) | 10 mm do 100 mm | Wyższy moment obrotowy i moc wyjściowa | Bardziej kompaktowy, lżejszy i o niższej mocy |
Kv (stała prędkości) jest najważniejszą pojedynczą specyfikacją charakteryzującą charakterystykę prędkości i momentu obrotowego silnika BLDC. Kv definiuje się jako liczbę obrotów na minutę (RPM), które silnik obraca na każdy wolt przyłożony do zacisków silnika podczas pracy bez obciążenia. Silnik o Kv 500 obr/min/V działa z prędkością 5000 obr./min, gdy jest zasilany napięciem 10 V (bez obciążenia). Silnik o Kv 100 obr/min/V pracuje przy zaledwie 1000 obr./min przy napięciu 10 V, ale generuje proporcjonalnie większy moment obrotowy.
W przypadku silnika BLDC chłodnicy powietrza zasilanego bezpośrednio z zasilania 230 V AC (wyprostowanego do wartości szczytowej około 325 V DC lub regulowanego do niższego napięcia stałego przez zasilacz), wartość Kv należy dobrać tak, aby silnik pracował z docelową prędkością wentylatora przy dostępnym napięciu. Prędkość wentylatora wynosząca 350 obr./min z regulowanego zasilania 24 V DC wymaga Kv wynoszącej w przybliżeniu 350 podzielone przez 24, czyli około 15 obr/min/V , który osiąga się poprzez zastosowanie większej liczby zwojów uzwojenia i jest charakterystyczny dla silników wentylatorów z wirnikiem zewnętrznym o wysokim momencie obrotowym i niskiej prędkości.
The Silnik BLDC chłodnicy powietrza stanowi znaczące udoskonalenie technologiczne w porównaniu z jednofazowymi silnikami indukcyjnymi zasilanymi kondensatorami, które przez dziesięciolecia dominowały na rynku chłodnic wyparnych do zastosowań mieszkaniowych i komercyjnych. Zrozumienie, dlaczego następuje to przejście, wymaga porównania obu technologii we wszystkich istotnych wymiarach wydajności.
Oszczędności energii wynikające z zastąpienia konwencjonalnego silnika indukcyjnego silnikiem BLDC z chłodnicą powietrza są znaczne i powodują znaczące zmniejszenie rachunków za energię elektryczną w całym okresie eksploatacji silnika. Typowe obliczenie:
Na rynkach o wyższych stawkach za energię elektryczną (Europa, Wielka Brytania, części Azji) lub w zastosowaniach komercyjnych, gdzie wiele chłodnic powietrza pracuje dłużej, uzasadnienie ekonomiczne dla silnika Air Cooler BLDC jest jeszcze silniejsze. Hala produkcyjna z 20 chłodnicami powietrza pracującymi 16 godzin dziennie pozwala zaoszczędzić około 4320 kWh w sezonie z tej samej modernizacji technologicznej, co oznacza znaczną redukcję kosztów operacyjnych.
Jednostki silnikowe Air Cooler BLDC do chłodnic powietrza w budynkach mieszkalnych są dostępne w dwóch głównych konfiguracjach elektrycznych:
Silnik zewnętrznej chłodnicy powietrza BLDC (silnik BLDC z wirnikiem zewnętrznym lub silnik BLDC z wirnikiem zewnętrznym) to optymalna architektura silnika do zastosowań z wentylatorami z napędem bezpośrednim, a jego zastosowanie w branży chłodnic powietrza oznacza nie tylko poprawę efektywności energetycznej, ale także zasadnicze uproszczenie mechaniczne. W konstrukcji z wirnikiem zewnętrznym, wirnik z magnesami trwałymi jest zespołem w kształcie dzwonu lub miseczki, który obraca się wokół zewnętrznej strony nieruchomego stojana. Łopatki wentylatora są przymocowane bezpośrednio do zewnętrznej powierzchni dzwonu wirnika, przekształcając silnik i wentylator w jeden zintegrowany zespół obrotowy.
Duża średnica zewnętrznego wirnika zapewnia duży moment bezwładności i duże ramię reakcyjne dla punktów mocowania łopatek wentylatora. Umożliwia to napędzanie wentylatora z mniejszą siłą (momentem obrotowym) na nasady łopatek, zmniejszając naprężenia mechaniczne na interfejsie montażowym.
Wentylatory chłodnicy powietrza pracują przy godz 200 do 800 obr./min , która mieści się w zakresie bezpośredniej prędkości wyjściowej silnika BLDC z wirnikiem zewnętrznym. Nie jest wymagana żadna skrzynia biegów redukująca prędkość, co eliminuje hałas przekładni, straty wydajności przekładni (zwykle od 2 do 8%) i punkt awarii mechanicznej.
Obracająca się zewnętrzna osłona silnika sama w sobie działa jak wentylator odśrodkowy, zasysając powietrze przez stojan z otwartego końca i wydmuchując je promieniowo. Ten wytworzony przez siebie przepływ powietrza zapewnia ciągłe chłodzenie uzwojeń stojana bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń chłodzących.
Silnik z wirnikiem zewnętrznym ma stosunkowo krótki wymiar osiowy (długość) w stosunku do swojej średnicy. W przypadku wentylatora chłodnicy powietrza, w którym silnik musi mieścić się w głębokości osłony wentylatora i nie wystawać nadmiernie, ten kształt przypominający naleśnik jest idealny.
Konstruowanie silnika zewnętrznej chłodnicy powietrza BLDC z komponentów różni się od konstrukcji z wirnikiem wewnętrznym pod kilkoma ważnymi względami. Poniższe szczegóły obejmują specyficzne różnice i wyzwania związane z konstrukcją wirnika zewnętrznego:
Specyfikacje silnika zewnętrznej chłodnicy powietrza BLDC są przede wszystkim dopasowywane do wydajności przepływu powietrza przez chłodnicę powietrza, mierzonej w metrach sześciennych na godzinę (m3/h) lub stopach sześciennych na minutę (CFM). Poniższa tabela przedstawia typowe dane techniczne silników dla różnych rozmiarów chłodnic:
| Typ chłodnicy | Przepływ powietrza (m3/h) | Moc silnika | Zakres prędkości | Wirnik Diameter | Napięcie zasilania |
|---|---|---|---|---|---|
| Osobista lodówka na biurko | 150 do 300 m3/h | 12 do 18 W | 600 do 1200 obr./min | 80 do 120 mm | 12 V lub 24 V prądu stałego |
| Chłodziarka do małych pomieszczeń (20 do 40 m2) | 1000 do 2000 m3/h | 18 do 30 W | 350 do 900 obr./min | 150 do 200 mm | 230 V AC lub 24 V DC |
| Chłodnica do średnich pomieszczeń (40 do 80 m2) | 3 000 do 5 000 m3/h | 30 do 50 W | 300 do 750 obr./min | 200 do 280 mm | 230 V AC lub 48 V DC |
| Chłodnica komercyjna/przemysłowa | 8 000 do 20 000 m3/h | 100 do 250 W | 200 do 500 obr./min | 350 do 500 mm | 230 V lub 415 V AC |
Żadna dyskusja na temat budowy układu silnika BLDC nie jest kompletna bez zajęcia się sterownikiem, ponieważ silnik BLDC nie może działać bez elektronicznego obwodu komutacyjnego. Silnik i sterownik są od siebie zależne: osiągi silnika podczas pracy są całkowicie zdeterminowane jakością, złożonością i dopasowaniem sterownika do silnika.
Standardowy sterownik silnika BLDC działa w trybie komutacji sześciostopniowej (lub trapezowej). W dowolnym momencie pracy silnika dwa z trójfazowych uzwojeń są pod napięciem, a trzecie pozostaje bez prądu. Sekwencja sześciu kroków działa w następujący sposób:
Ta sześcioetapowa sekwencja powtarza się z częstotliwością równą częstotliwości elektrycznej silnika. Silnik z 8 biegunami (4 pary biegunów) obracający się z prędkością 750 obr./min ma częstotliwość elektryczną 750 obr./min x 4 pary podzielone przez 60 sekund = 50 Hz . Sterownik przełącza stany komutacji o godz 6 razy ta częstotliwość, czyli 300 razy na sekundę , z którym bez problemu radzi sobie mikrokontroler wewnątrz sterownika BLDC.
W przypadku zastosowań w chłodnicach powietrza, gdzie cicha praca ma wysoki priorytet, komutacja sinusoidalna (sterowanie zorientowane na pole, FOC) zapewnia znaczną poprawę w porównaniu z podstawową komutacją sześciostopniową. Zamiast nagłego przełączania pomiędzy dyskretnymi kombinacjami faz, sterowanie sinusoidalne przykłada płynnie zmieniające się prądy sinusoidalne do wszystkich trzech faz jednocześnie, wytwarzając stale wirujące pole magnetyczne, a nie schodkowe. Rezultatem jest radykalne zmniejszenie tętnienia momentu obrotowego i hałasu silnika.
Wysokiej klasy sterownik silnika BLDC Air Cooler realizujący sinusoidalne sterowanie FOC zazwyczaj redukuje słyszalny hałas silnika 5 do 15 dB(A) w porównaniu do sześciostopniowego sterownika napędzającego ten sam silnik, co jest bardzo znaczącą różnicą, biorąc pod uwagę, że redukcja o 10 dB jest odbierana jako mniej więcej o połowę głośniejsza. W przypadku klimatyzatorów do sypialni lub biurowych, gdzie wrażliwość na hałas jest najwyższa, zdecydowanie zaleca się sterownik sinusoidalny, mimo że kosztuje nieco więcej niż zwykły sześciostopniowy sterownik.
Niezależnie od tego, czy jesteś producentem oryginalnego wyposażenia (OEM) chłodnicy powietrza, który określa silniki dla nowej linii produktów, czy też użytkownikiem końcowym wyposażającym istniejącą chłodnicę powietrza w silnik zewnętrznej chłodnicy powietrza BLDC w celu zmniejszenia zużycia energii, poniższe praktyczne wskazówki dotyczą kluczowych kwestii związanych z wyborem i instalacją.
Moc silnika musi być wystarczająca do napędzania wentylatora przy wymaganym przepływie powietrza, pokonując opór ciśnienia statycznego systemu (opór mokrych podkładek, przewodów i inne ograniczenia przepływu powietrza). W przypadku wyparnej chłodnicy powietrza do użytku domowego typowy całkowity opór systemu wynosi 5 do 20 paskali , a wentylator musi pokonać ten opór, zapewniając jednocześnie wymagany przepływ powietrza.
Praktyczna wskazówka doboru: na każde 1000 m3/h wymaganego przepływu powietrza przy całkowitym ciśnieniu statycznym wynoszącym 10 paskali, silnik zużywa około Moc na wale od 5 do 8 watów . Dzielenie przez sprawność silnika (zazwyczaj 85 do 90% w przypadku wysokiej jakości silnika BLDC) daje wymaganą moc wejściową. Chłodnica o wydajności 3000 m3/h w porównaniu do 15 Pascalów wymaga około 45 do 72 watów mocy na wale, co oznacza Silnik BLDC o mocy od 50 do 80 W jest właściwe przy obliczaniu sprawności silnika.
W przypadku modernizacji istniejącej chłodnicy powietrza za pomocą silnika zewnętrznej chłodnicy powietrza BLDC, przed zamówieniem silnika zamiennego sprawdź następujące elementy:
DC149 220 V/700 W Zewnętrzny silnik chłodnicy powietrza BLDC
DC149 220 V 850 W Zewnętrzny silnik chłodnicy powietrza BLDC
DC144 220 V 600 W Zewnętrzny silnik chłodnicy powietrza BLDC
DC144 220 V 600 W Zewnętrzny silnik chłodnicy powietrza BLDC
DC149 220 V 850 W Zewnętrzny silnik chłodnicy powietrza BLDC
DC198 220 V 1500 W Zewnętrzny silnik chłodnicy powietrza BLDC