تور براشلس چیست؟

موتورهای براشلس ظاهراً همه جا هستند – لوازم خانگی، وسایل نقلیه، ابزارها و موارد دیگر. اما موتور براشلس چیست و چه چیزی آن را با موتور برس دار متفاوت می کند؟

موتور براشلس به معنای همان موتور BLDC است. شکل کامل موتور BLDC موتور جریان مستقیم بدون جاروبک است.

در این مقاله به تمام سوالات اساسی مربوط به این نوع موتور همه کاره پاسخ خواهیم داد.

فهرست مطالب

1. موتور براشلس چیست؟
2. تاریخچه موتورهای براشلس
3. مکانیزم موتور بدون جاروبک
4. نمودار موتور بدون جاروبک
   1. GIF موتور براشلس
5. براش در مقابل موتور بدون برس
6. مزایای موتور بدون جاروبک
7. کاربردهای موتور DC بدون جاروبک
8. موتورهای براشلس برای هواپیماهای بدون سرنشین

موتور براشلس چیست؟

موتور DC بدون جاروبک (BLDC) نوعی موتور الکتریکی است که برای حرکت چرخش خود به نیروهای دافعه و جاذبه بین آهنرباهای دائمی و آهنرباهای الکتریکی متکی است. BLDC مخفف “جریان مستقیم بدون جاروبک” است که تقریباً نحوه عملکرد موتور را توصیف می کند.

چرخش موتور توسط یک کنترل‌کننده مدیریت می‌شود که فوران‌های زمان‌بندی‌شده جریان را به آهن‌رباهای الکتروموتور می‌رساند که به نوبه خود سرعت آن را کنترل می‌کند.

شکل 1: نمودار موتور DC بدون جاروبک

موتورهای براشلس به دلیل داشتن راندمان بالا و عمر طولانی در مقایسه با موتورهای جایگزین شناخته شده اند. چندین روش متداول برای توصیف این نوع موتور وجود دارد، از جمله موتورهای براشلس، موتورهای DC بدون جاروبک و موتورهای BLDC.

تاریخچه موتورهای براشلس

موتورهای DC بدون جاروبک در سال 1962 توسط TG Wilson و PH Trickey اختراع شدند و در مقاله AIEE خود با عنوان “ماشین DC با کموتاسیون حالت جامد” ارائه شدند.

آنها از طریق این مقاله مشکلاتی را که می خواستند حل کنند و راه حل هایی که به آن دست یافتند را بیان می کنند. در بخش خود در مورد ملاحظات اساسی، آنها چالش‌های طراحی را که باید برای ساخت یک موتور براشلس کاربردی بر آنها غلبه کنند، بیان می‌کنند:

از آنجایی که سوئیچینگ مورد نیاز رساناهای آرمیچر باید با عناصر استاتیک انجام شود، مطلوب است که خود عناصر کلید زنی نچرخند. این ممکن است با قرار دادن سیم پیچ آرمیچر روی عضو ثابت و چرخش قطب های میدان انجام شود. استفاده از آهنربای دائمی برای عنصر میدان، نیاز به تامین توان روتور را از طریق برس یا عمل ترانسفورماتور بی نیاز می‌کند. دقیقا با همان سرعت روتور. برای این منظور، اطلاعات مربوط به موقعیت زاویه ای قطب های روتور باید به طور مداوم به استاتور مخابره شود تا دقیقاً سوئیچینگ درست هادی های آرمیچر انجام شود.

در پاراگراف پایانی خود، آنها برخی از راه‌هایی را که پیش‌بینی می‌کنند اختراعشان مزیتی نسبت به موتورهای برس‌دار ایجاد می‌کند، بیان می‌کنند. بهبودهایی که آنها پیشنهاد کردند بسیار دقیق بوده است:

عملاً باید تداخل رادیویی را به معنای عادی و همچنین فرسودگی و نگهداری را که اکنون در برس‌ها و کموتاتورها با آن مواجه می‌شویم از بین ببرد. دستگاه باید دارای قابلیت اطمینان بسیار بالا و همچنین عمر طولانی باشد.

همتای اصلی موتورهای بدون جاروبک، موتور برس، بیش از 100 سال قبل از آن در سال 1856 اختراع شد. در حالی که پیشرفت‌های دیگری از آن زمان به بعد انجام شده بود، این تعمیرات اساسی فناوری به خوبی به تعویق افتاده بود.

مکانیزم موتور بدون جاروبک

موتور بدون جاروبک برای عملکرد به دو بخش کلیدی متکی است: 1) روتوری که آهنرباهای دائمی را در خود نگه می دارد، 2) استاتوری که سیم پیچ های مسی را نگه می دارد که با ارسال جریان از طریق آنها به آهنرباهای الکتریکی تبدیل می شوند.

موتورهای براشلس ممکن است درونی باشند، جایی که استاتور در خارج قرار دارد و روتور درون آن می چرخد، یا می توانند پیشران باشند، جایی که روتور خارج از استاتور می چرخد.

شکل 2: یک موتور اینرانر (سمت چپ) و یک موتور خروجی (راست)

هنگامی که جریانی به سیم پیچ استاتور می رسد، به یک آهنربای الکتریکی تبدیل می شود و قطب شمال و جنوب ایجاد می کند. وقتی قطبیت الکترومغناطیس با آهنربای دائمی که روبروی آن است مطابقت دارد، قطب های مشابه آنها دفع می شود و روتور می چرخد.

اگر جریان این پیکربندی را حفظ می‌کرد، روتور برای مدت کوتاهی می‌چرخید، سپس هنگامی که آهن‌ربای‌های الکترومغناطیس و آهنرباهای دائمی مقابل یکدیگر قرار می‌گرفتند، متوقف می‌شد. به همین دلیل، جریان به صورت یک سیگنال سه فاز به گونه ای ارسال می شود که به طور مداوم قطبیت آهنرباهای الکتریکی را تغییر می دهد تا روتور به چرخش ادامه دهد.

موتور با سرعتی برابر با فرکانس سیگنال سه فاز می چرخد، بنابراین اگر می خواهید موتور سریعتر حرکت کند، فرکانس سیگنال را افزایش می دهید. با یک وسیله نقلیه کنترل از راه دور، سرعت با افزایش دریچه گاز افزایش می یابد که به کنترل کننده می گوید فرکانس سوئیچینگ را افزایش دهد.

برای اینکه بدانیم چگونه و چه زمانی باید سیم‌پیچ‌ها را انرژی دهیم، موتور از حسگرهای هال افکت برای تعیین موقعیت نسبی روتور و استاتور استفاده می‌کند. به این ترتیب، الکترومغناطیس های موجود در استاتور به ترتیب درست در زمان مناسب فعال می شوند و موتور به حرکت خود ادامه می دهد.

نمودار موتور بدون جاروبک

مکانیسم موتور بدون جاروبک به راحتی با یک نمودار / GIF نشان داده می شود که در زیر می توانید مشاهده کنید.

شکل 3: GIF موتور براشلس

موتورهای براشلس ممکن است اینرانر یا پیشران باشند. موردی که در نمودار بالا مشاهده می‌شود، پیشی‌تر است، زیرا روتور آن حاوی آهن‌رباهای دائمی در خارج از استاتور قرار دارد. هر آهنربای دائمی “قطب” نیز نامیده می شود و تعداد قطب های موتور می تواند بر عملکرد آن تأثیر بگذارد.

آهنرباهای دائمی توسط الکترومغناطیس ها دفع می شوند و روتور را به صورت دایره ای به اطراف هل می دهند در حالی که استاتور ثابت می ماند، در این مورد در خلاف جهت عقربه های ساعت (شکل 3).

کنترل کننده موتور در سمت راست که کنترل کننده سرعت الکترونیکی (ESC) نیز نامیده می شود، از یک طرف به منبع تغذیه یا باتری و از طرف دیگر به موتور متصل می شود. می توان آن را مستقیماً به دستگاه ورودی دریچه گاز یا از راه دور مانند سیگنال رادیویی متصل کرد. ESC فرکانس سیگنال دریچه گاز را از کنترلر می گیرد و با تنظیم فرکانس سوئیچینگ موتور به سرعت چرخش موتور می گوید.

مطالعه بیشتر: نحوه کنترل سرعت موتور الکتریکی

براش در مقابل موتور بدون برس

موتورهای برس دار نوع دیگری از موتورهای الکتریکی هستند که برای حرکت چرخش خود بر مفهوم مغناطیس تکیه دارند.

تفاوت اصلی بین موتورهای براش و موتورهای براشلس  مکانیسم، کارایی و عمر مفید آنهاست. تفاوت ها در این جدول خلاصه شده است، سپس در ادامه توضیح داده شده است.

* هر موتوری که خارج از محدوده کارآمد گشتاور و سرعت خود کار کند، راندمان پایین (<50٪) و تولید گرمای بالایی خواهد داشت.

کموتاسیون: در یک موتور برس، جریان از طریق تماس فیزیکی با برس ها از کموتاتور به سیم پیچ های موتور منتقل می شود. در موتور بدون جاروبک، جریان از طریق روشن و خاموش کردن سیم پیچ های استاتور از طریق کلیدهای نیمه هادی به صورت الکتریکی کنترل می شود.

راندمان: موتورهای براشلس گشتاور بیشتری را به ازای هر وات توان مصرفی نسبت به موتورهای برس دار ارائه می دهند و در نتیجه کارایی آنها را بیشتر می کند.

هزینه اولیه: موتورهای براشلس معمولاً به دلیل پیچیدگی بیشتر کنترلرهایشان، گرانتر از موتورهای برس دار هم اندازه هستند.

الزامات تعمیر و نگهداری: موتورهای برس خورده در جایی که کموتاتور با برس‌ها برخورد می‌کند به سرعت فرسوده می‌شوند و بنابراین قطعات به تعویض مکرر نیاز دارند. موتورهای براشلس هیچ قطعه ای ندارند که به همان میزان سایش را تجربه کنند، بنابراین تعمیر و نگهداری / تعویض کمتر مورد نیاز است.

پیچیدگی کنترل سرعت موتور: در یک موتور برس، سرعت موتور به سادگی توسط ولتاژ اعمال شده به آن کنترل می شود. در موتور بدون جاروبک، کنترل کننده موتور از یک سیگنال 3 فاز برای کنترل سرعت چرخش استفاده می کند، بنابراین تحویل سیگنال پیچیده تر است.

طول عمر: موتورهای براشلس طول عمر بیشتری نسبت به موتورهای برس دار دارند زیرا سایش و فرسایش یکسانی را بین قطعات تجربه نمی کنند. گفته می شود، گاهی اوقات می توان موتورهای برس خورده را برای افزایش عمر مفید بازسازی کرد.

نویز الکتریکی: علاوه بر نویز صوتی تولید شده توسط موتورها، آنها می توانند نویز الکتریکی نیز تولید کنند که می تواند با سایر اجزای سیستم تداخل ایجاد کند. موتورهای برس دار نسبت به موتورهای بدون جاروبک صدای الکتریکی بیشتری تولید می کنند که می تواند باعث تداخل الکترومغناطیسی در مدارهای محلی شود. بدون جداسازی مناسب، این تداخل می تواند باعث اختلال در عملکرد مدار و کاهش عملکرد شود.

ایمنی در احتراق: موتورهای بدون جاروبک بسیار کمتر احتمال دارد جرقه هایی تولید کنند که می تواند مواد قابل اشتعال را مشتعل کند.

کنترل سرعت پایین: موتورهای برس دار دارای یک سیستم کنترل ساده هستند که در سرعت های پایین به خوبی عمل می کند. هنگامی که با رمزگذارهای زاویه ای و الکترونیک کنترل ترکیب می شوند، موتورهای براشلس نیز می توانند با سرعت بسیار پایین بچرخند. این برای کاربردهایی مانند هاوربرد یا موتورهای سروو با قدرت بالا ایده آل است. ODrives یک کنترل کننده منبع باز برای چنین برنامه هایی ارائه می دهد.

حداکثر سرعت: به دلیل اصطکاک ذاتی طراحی موتور برس خورده، برای استفاده در RPM بالا مناسب نیستند. برس های موجود در موتور با افزایش سرعت گرم می شوند که منجر به افزایش سایش و دمای بالا می شود. از طرف دیگر، موتورهای براشلس به دلیل نداشتن برس با این مشکل مواجه نمی‌شوند، بنابراین می‌توانند در RPM بسیار بالا کار کنند.

نسبت گشتاور به وزن: در حالی که موتورهای برس دار می توانند مقادیر قابل توجهی گشتاور تولید کنند، به خصوص در سرعت های پایین، موتورهای بدون جاروبکی که مقدار گشتاور قابل مقایسه ای تولید می کنند، به طور قابل توجهی کوچکتر هستند، بنابراین به آنها در نسبت گشتاور: وزنشان مزیتی می دهند.

مزایای موتور بدون جاروبک

بخش قبل تفاوت های مهم بین موتورهای براش و بدون جاروبک را مورد بحث قرار می دهد، اما این سوال باقی می ماند که آیا موتورهای براشلس ذاتا بهتر هستند؟

مانند بسیاری از سوالات مهندسی، تصمیم به نحوه استفاده از موتور بستگی دارد. ما می دانیم که موتورهای برس دار برای کاربردهای دور در دقیقه بالا ایده آل نیستند، بنابراین موتورهای براشلس در آن مناطق غالب خواهند بود. راندمان پایین تر و هزینه نگهداری بالای موتورهای برس خورده نیز باعث می شود تا برای استفاده های خاص مطلوبیت کمتری داشته باشند.

همانطور که گفته شد، موتورهای برس دار هزینه پایین تری دارند، سرعت کنترل ساده ای دارند و در سرعت های پایین حرکتی صاف و با گشتاور بالا ایجاد می کنند. آنها همچنین دارای یک رابطه خطی گشتاور و سرعت هستند که کنترل آنها را آسان تر می کند. با وجود اینکه به مرور زمان فرسوده می شوند، اما این ویژگی های دیگر آنها را به گزینه ای ایده آل برای دستگاه های خاصی مانند تجهیزات صنعتی کم سرعت، مخلوط کن ها، برف پاک کن ها و تجهیزات پزشکی سیار تبدیل می کند.

شکل 4: موتورهای برس خورده در برف پاک کن های شیشه جلو

از طرف دیگر، موتورهای براشلس تمایل دارند در مناطقی که RPM بالا مورد نیاز است مانند اره ها، فن ها و پروانه ها بدرخشند. آنها همچنین دارای یک مزیت در گشتاور خود هستند: نسبت وزن، که برای استفاده در وسایل نقلیه خاص مانند هواپیماهای بدون سرنشین و هواپیماهای الکتریکی و همچنین در مناطقی که به یک موتور کوچک اما قدرتمند نیاز است، مانند میکرورباتیک، مهم است.

موتورهای BLDC همچنین برای کاربردهایی که انتظار می رود استفاده زیاد و راندمان بالا مورد نیاز است، مانند ابزارهای بی سیم، وسایل نقلیه RC، سیستم های گرمایش و سرمایش، و مهندسی صنایع، مطلوب هستند. یک مثال در سیستم‌های تشخیص نور و برد (LiDAR) است که در سیستم‌های ناوبری و بومی‌سازی رباتیک مانند خودروهای خودران و پهپادهای نظارتی استفاده می‌شود.

شکل 5: سیستم RPLiDAR مورد استفاده برای برنامه های ناوبری روباتیک

کاربردهای موتور DC بدون جاروبک

بیایید کمی عمیق تر به برخی از کاربردهای موتورهای براشلس بپردازیم.

مهندسی صنایع: موتورهای براشلس به دلیل گشتاور و طول عمر بالا برای بسیاری از فرآیندهای مهندسی صنایع مفید هستند. ممکن است آنها را در ماشین های CNC، موتورهای خطی و سروموتور استفاده کنید. آنها همچنین به عنوان محرک برای کنترل حرکات در ربات های صنعتی برای کارهایی مانند رنگ آمیزی، مونتاژ محصول و حتی جوشکاری استفاده می شوند، مانند تاسیسات Tata Steel در انگلستان (شکل 6).

در خانه: موتورهای براشلس به دلیل وزن کم و راندمان بالا، بهترین انتخاب برای بسیاری از لوازم خانگی هستند. آنها تقریباً در هر اتاق خانه در دستگاه هایی مانند جاروبرقی، قهوه ساز، سشوار، هارد دیسک، چاپگر و غیره یافت می شوند. از آنجایی که بسیاری از این دستگاه‌ها در مقادیر بسیار بالا تولید می‌شوند، برای جلوگیری از پرداختن به بازگشت مشتری و تعمیر و نگهداری، کیفیت و قابلیت اطمینان بالایی برای آنها مهم است.

ابزارهای برقی بی سیم: از آنجایی که موتورهای براشلس می توانند با باتری های قابل شارژ کار کنند، برای کاربردهای بی سیم که به حداقل وزن و RPM بالا نیاز دارند ایده آل هستند. دریل های شارژی حدود یک دهه پیش در دسترس قرار گرفتند، اما اکنون 50 درصد از مدل های موجود را تشکیل می دهند. این یکی از حوزه‌هایی است که موتورهای براشلس هنوز باید با موتورهای برس‌دار رقابت کنند، بنابراین قیمت و دفعات استفاده از عوامل کلیدی در تصمیم‌گیری برای انتخاب مدل هستند.

ماشین‌های RC: موتورهای براشلس می‌توانند با دور در دقیقه بسیار بالا بچرخند و به سرعت به سرعت بالا بروند، بنابراین برای استفاده در وسایل نقلیه RC عالی هستند. ویژگی‌های موتور RC، مانند موتور Kv، اندازه و قدرت، بر اساس مدل متفاوت است. خودروهای RC ممکن است موتورهای نیترو نیز داشته باشند که زمان کار طولانی تری را ارائه می دهند، اما با عوارض خرید بنزین و سوخت گیری خودرو همراه هستند. موتورهای براشلس نسبت به موتورهای نیترو دارای مزیت شتاب هستند، بنابراین معمولاً برای مسابقه بهتر هستند.

شکل 7: ماشین آفرود هیولا کامیون RC که توسط یک موتور براشلس تغذیه می شود

موتورهای براشلس برای هواپیماهای بدون سرنشین

ویژگی های ترکیبی موتورهای براشلس آنها را برای استفاده در هواپیماهای بدون سرنشین ایده آل می کند. آنها سبک وزن هستند، بسیار کارآمد هستند، دارای محدوده سرعت گسترده و قابلیت های گشتاور بالا هستند، همه ویژگی هایی که برای پهپادها مفید است.

موتورهای براشلس برای پهپادهای سرگرمی نسبتاً ارزان هستند، که به سازندگان هواپیماهای بدون سرنشین اجازه می‌دهد مدل‌های مختلف را آزمایش کنند تا مشخص کنند کدام یک از آنها کارآمدتر هستند. به دلیل قابلیت اطمینان بالا، تعمیر و نگهداری به ندرت مورد نیاز است و معمولاً تعویض موتور نسبت به تعمیر آن هزینه کمتری دارد.

برای پهپادهای تجاری بزرگتر و پهپادهای سرنشین دار، موتورهای بدون جاروبک بزرگتر همیشه در حال توسعه هستند تا نیازهای قدرت، گشتاور و رانش بیشتر را برآورده کنند. این موتورها به انقلاب الکتریکی مشاهده شده در صنعت حمل و نقل کمک می کنند، که شامل برقی کردن مدل های هواپیمای موجود و طراحی هواپیماهای جدید eVTOL است.

انواع مختلفی از پهپادها از نظر اندازه، سبک، منبع انرژی و عملکرد متفاوت هستند . موتورهای براشلس برای بسیاری از کاربردها مناسب هستند، اگرچه از موتورهای گازسوز و هیبریدی نیز استفاده می شود.