رقم 8، طريق دوكسيو سان، مدينة جانلين، مدينة شينغتشو، مدينة شاوشينغ، مقاطعة تشجيانغ، الصين
محتوى
تتضمن كيفية صنع محرك BLDC إنشاء محرك تيار مباشر بدون فرش من خمسة أنظمة فرعية أساسية: الجزء الثابت بأطوار ملف النحاس الملفوف، مجموعة الدوار التي تحمل مغناطيس دائم، نظام استشعار الموضع (أجهزة استشعار تأثير Hall أو اكتشاف EMF الخلفي)، وحدة تحكم إلكترونية ثلاثية الطور (ESC أو محرك BLDC)، وغطاء ميكانيكي يعمل على محاذاة ودعم التجميعات الدوارة والثابتة. ان محرك تبريد الهواء BLDC هو محرك DC بدون فرش تم اختياره وتهيئته خصيصًا لمهمة مروحة مبرد الهواء التبخيري، حيث توجد متطلبات التصميم الأساسية استهلاك منخفض للطاقة (18 إلى 55 واط) والتشغيل الهادئ، والكفاءة العالية بسرعات المروحة المنخفضة إلى المتوسطة، والموثوقية على مدار التشغيل اليومي المستمر لعدة ساعات في الظروف الرطبة. ان محرك تبريد الهواء الخارجي BLDC (يُسمى أيضًا محرك BLDC ذو الدوار الخارجي أو الدوار الخارجي) يستخدم بنية حيث يدور الدوار ذو المغناطيس الدائم حول الجزء الخارجي للجزء الثابت الثابت، بدلاً من الدوران بداخله، وهو التصميم المثالي لتطبيقات مروحة الدفع المباشر لأن مجموعة شفرات المروحة يتم تركيبها مباشرة على حافة الدوار الخارجية ذات القطر الكبير دون الحاجة إلى علبة تروس أو أداة توصيل. يغطي هذا الدليل الكامل النظرية الهندسية الكاملة وخطوات البناء العملية ومعايير الاختيار الخاصة بالتطبيق لجميع المواضيع الثلاثة.
فهم كيفية صنع محرك BLDC يبدأ بفهم سبب وجود محرك DC بدون فرش وكيف يختلف بشكل أساسي عن محركات DC ذات الفرشاة التي حل محلها. يستخدم محرك DC المصقول فرش الكربون المادية التي تضغط على حلقة العاكس الدوارة لتبديل اتجاه التيار في اللفات الدوارة أثناء دوران المحرك. تخلق آلية التبديل هذه احتكاكًا، وتولد حرارة، وتنتج ضوضاء كهربائية، وتتآكل بمرور الوقت مع تآكل فرش الكربون وتدهور سطح جهاز التبديل. يقوم محرك BLDC بإزالة كل من الفرش ومبدل التيار عن طريق وضع المغناطيس الدائم على الدوار والملفات على الجزء الثابت، وباستخدام التبديل الإلكتروني (وحدة تحكم BLDC) لتبديل التيار بدلاً من الاتصال الميكانيكي.
والنتيجة هي محرك مع لا يرتدي الأسطح الاتصال وكفاءة أعلى بكثير (عادةً 85 إلى 95% مقابل 60 إلى 85% للمحركات المصقولة )، وضوضاء مسموعة أقل بكثير، وكثافة طاقة أعلى (قدرة أكبر لكل كيلوغرام من كتلة المحرك)، وعمر خدمة يُقاس بآلاف الساعات بدلاً من مئات. تشرح هذه المزايا سبب قيام محركات BLDC بإزاحة المحركات المصقولة في تطبيقات تتراوح من محركات الأقراص الصلبة للكمبيوتر ودفع الطائرات بدون طيار إلى الغسالات، والأهم من ذلك بالنسبة لهذه المقالة، مراوح تبريد الهواء السكنية والتجارية.
نواة ثابتة تحمل ملفات نحاسية ملفوفة. يولّد الجزء الثابت مجالًا مغناطيسيًا دوارًا عندما يتم تطبيق تيار ثلاثي الطور على ملفاته بالتسلسل الصحيح. يتم تصنيع الصفائح الثابتة من فولاذ السيليكون لتقليل خسائر التيار الدوامي.
مجموعة دوارة تحمل مغناطيس دائم من النيوديميوم أو الفريت. يتبع الجزء المتحرك المجال المغناطيسي الدوار المتولد عن الجزء الثابت، مما ينتج عنه دوران ميكانيكي. في تصميمات الدوار الخارجي، يحيط الدوار بالجزء الثابت.
تقوم ثلاثة مستشعرات لتأثير Hall موضوعة على مسافة 120 درجة باكتشاف موضع مغناطيس الدوار وإبلاغ وحدة التحكم بذلك. تستخدم وحدة التحكم بيانات الموضع هذه لتنشيط مراحل ملف الجزء الثابت الصحيحة بالتسلسل، مع الحفاظ على الدوران السلس.
تقوم وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة بقراءة إشارات مستشعر Hall وتشغيل ستة وحدات MOSFET للطاقة في دائرة جسر ثلاثية الطور لتطبيق الجهد على ملفات الجزء الثابت في تسلسل التبديل الصحيح. التحكم PWM يضبط السرعة.
تصف الخطوات التالية كيفية صنع محرك BLDC من المكونات الأساسية، والتي تغطي تكوينات الدوار الداخلي (التقليدي) والدوار الخارجي. تم تفصيل تكوين الدوار الخارجي على وجه التحديد لأنه التصميم السائد لـ محرك تبريد الهواء BLDC و محرك تبريد الهواء الخارجي BLDC التطبيقات.
عند تصميم أو بناء محرك BLDC من الصفر، يجب حساب المعلمات التالية وموازنتها مع بعضها البعض:
| المعلمة | النطاق النموذجي | تأثير الزيادة | تأثير النقصان |
|---|---|---|---|
| عدد فتحات الجزء الثابت | 9، 12، 18، 24 | عزم دوران أكثر سلاسة، وتقليل الترس | لف أبسط، وعزم دوران أكبر |
| عدد أعمدة الدوار | 4، 8، 10، 14 | كثافة عزم دوران أعلى، والحد الأقصى لعدد الدورات في الدقيقة | الحد الأقصى لعدد الدورات في الدقيقة أعلى، وكثافة عزم الدوران أقل |
| لف المنعطفات لكل ملف | من 5 إلى 80 دورة | أعلى كيلو فولت (سرعة أعلى في نفس الجهد) | انخفاض كيلوفولت (عزم دوران أكبر وسرعة أقل) |
| مقياس السلك (القطر) | 0.3 ملم إلى 1.5 ملم | مقاومة أقل، قدرة تيار أعلى | مقاومة أعلى، حرارة أكثر في نفس التيار |
| الفجوة الهوائية (الدوار إلى الجزء الثابت) | 0.3 ملم إلى 1.5 ملم | انخفاض الاقتران المغناطيسي، وانخفاض الكفاءة | اقتران مغناطيسي أفضل، وخطر الاتصال |
| درجة المغناطيس | N35 إلى N52 (ندفيب) | كثافة تدفق أعلى وأداء أفضل | انخفاض التكلفة، وانخفاض المقاومة الحرارية |
| طول المكدس (محوري) | 10 ملم إلى 100 ملم | عزم دوران أعلى وانتاج الطاقة | أكثر إحكاما وأخف وزنا وأقل قوة |
يعد Kv (ثابت السرعة) أهم المواصفات الفردية لتوصيف سرعة محرك BLDC وخصائص عزم الدوران. يتم تعريف Kv على أنه عدد الدورات في الدقيقة (RPM) التي يدورها المحرك لكل فولت مطبق على أطراف المحرك عند التشغيل بدون حمولة. محرك بقوة Kv 500 دورة في الدقيقة/فولت يعمل بسرعة 5000 دورة في الدقيقة عند تزويده بـ 10 فولت (غير محمل). محرك بقوة Kv 100 دورة في الدقيقة/فولت يعمل بسرعة 1000 دورة في الدقيقة فقط عند 10 فولت ولكنه يولد عزم دوران أكبر نسبيًا.
بالنسبة لمحرك Air Cooler BLDC الذي يعمل مباشرة من مصدر تيار متردد 230 فولت (مصحح إلى ذروة 325 فولت تيار مستمر تقريبًا، أو يتم تنظيمه إلى جهد تيار مستمر أقل بواسطة مصدر طاقة)، يجب اختيار Kv بحيث يعمل المحرك بسرعة المروحة المستهدفة بالجهد المتاح. تتطلب سرعة المروحة التي تبلغ 350 دورة في الدقيقة من مصدر تيار مباشر منظم بجهد 24 فولت كيلو فولت تقريبًا 350 مقسومًا على 24، أو ما يقرب من 15 دورة في الدقيقة/فولت ، والذي يتم تحقيقه باستخدام المزيد من اللفات المتعرجة وهو سمة من سمات محركات المروحة الخارجية ذات العزم العالي والسرعة المنخفضة.
ال محرك تبريد الهواء BLDC يمثل ترقية تكنولوجية مهمة من المحركات الحثية أحادية الطور التي تعمل بالمكثف والتي سيطرت على سوق مبردات الهواء التبخيري السكنية والتجارية لعقود من الزمن. إن فهم سبب حدوث هذا التحول يتطلب مقارنة التقنيتين عبر كل أبعاد الأداء ذات الصلة.
ال energy savings from replacing a conventional induction motor with an Air Cooler BLDC motor are substantial and produce meaningful reductions in electricity bills over the motor's operating life. A typical calculation:
في الأسواق ذات تعريفات الكهرباء المرتفعة (أوروبا والمملكة المتحدة وأجزاء من آسيا) أو في التطبيقات التجارية حيث تعمل العديد من مبردات الهواء لساعات أطول، تكون الحالة الاقتصادية لمحرك Air Cooler BLDC أقوى. توفر أرضية المصنع التي تحتوي على 20 مبرد هواء يعمل لمدة 16 ساعة يوميًا تقريبًا 4,320 كيلوواط ساعة في الموسم الواحد من نفس ترقية التكنولوجيا، مما يمثل تخفيضًا كبيرًا في تكاليف التشغيل.
تتوفر وحدات محرك Air Cooler BLDC لمبردات الهواء السكنية في تكوينين كهربائيين رئيسيين:
ال External BLDC Air Cooler Motor (outer-rotor or external-rotor BLDC motor) is the optimal motor architecture for direct-drive fan applications, and its adoption in the air cooler industry represents not just an energy efficiency improvement but a fundamental mechanical simplification. In an outer-rotor design, the permanent magnet rotor is a bell-shaped or cup-shaped assembly that rotates around the outside of the stationary stator. The fan blades are attached directly to the outer face of the rotor bell, converting the motor and fan into a single integrated rotating assembly.
ال outer rotor's large diameter provides a large moment of inertia and a large torque arm for the fan blade attachment points. This allows the fan to be driven with lower force (torque) at the blade roots, reducing mechanical stress on the mounting interface.
تعمل مراوح تبريد الهواء على 200 إلى 800 دورة في الدقيقة ، والذي يقع ضمن نطاق سرعة الخرج المباشر لمحرك BLDC ذو الدوار الخارجي. ليست هناك حاجة إلى علبة تروس لتقليل السرعة، مما يؤدي إلى التخلص من ضوضاء التروس، وفقدان كفاءة التروس (عادةً من 2 إلى 8%)، ونقطة الفشل الميكانيكي.
ال rotating outer shell of the motor acts as a centrifugal fan in itself, drawing air through the stator from the open end and exhausting it radially. This self-generated airflow provides continuous cooling of the stator windings without any additional cooling provisions.
ال outer-rotor motor has a relatively short axial (length) dimension relative to its diameter. For an air cooler fan, where the motor must fit within the depth of the fan shroud without protruding excessively, this pancake-like form factor is ideal.
يختلف إنشاء محرك تبريد الهواء الخارجي BLDC من المكونات عن بناء الدوار الداخلي بعدة طرق مهمة. تغطي التفاصيل التالية الاختلافات والتحديات المحددة لبناء الدوار الخارجي:
تتوافق مواصفات محرك تبريد الهواء الخارجي BLDC بشكل أساسي مع قدرة تدفق الهواء لمبرد الهواء، والتي يتم قياسها بالمتر المكعب في الساعة (m3/h) أو القدم المكعبة في الدقيقة (CFM). يوضح الجدول التالي مواصفات المحرك النموذجية لأحجام المبردات المختلفة:
| نوع المبرد | تدفق الهواء (م3/ساعة) | قوة المحرك | نطاق السرعة | الدوار Diameter | جهد الإمداد |
|---|---|---|---|---|---|
| مبرد سطح المكتب الشخصي | 150 إلى 300 م3/ساعة | 12 إلى 18 واط | 600 إلى 1200 دورة في الدقيقة | 80 إلى 120 ملم | 12 فولت أو 24 فولت تيار مستمر |
| مبرد غرفة صغيرة (20 إلى 40 م2) | 1000 إلى 2000 م3/ساعة | 18 إلى 30 واط | 350 إلى 900 دورة في الدقيقة | 150 إلى 200 ملم | 230 فولت تيار متردد أو 24 فولت تيار مستمر |
| مبرد غرفة متوسطة (40 إلى 80 م2) | 3000 إلى 5000 م3/ساعة | 30 إلى 50 واط | 300 إلى 750 دورة في الدقيقة | 200 إلى 280 ملم | 230 فولت تيار متردد أو 48 فولت تيار مستمر |
| مبرد تجاري/صناعي | 8,000 إلى 20,000 م3/ساعة | 100 إلى 250 واط | 200 إلى 500 دورة في الدقيقة | 350 إلى 500 ملم | 230 فولت أو 415 فولت تيار متردد |
لا تكتمل أي مناقشة حول كيفية إنشاء نظام محرك BLDC دون معالجة وحدة التحكم، لأن محرك BLDC لا يمكنه العمل بدون دائرة التبديل الإلكترونية الخاصة به. يعتمد المحرك ووحدة التحكم بشكل مشترك: يتم تحديد أداء المحرك في الخدمة بالكامل من خلال الجودة والتطور ومطابقة وحدة التحكم مع المحرك.
ال standard BLDC motor controller operates on six-step (or trapezoidal) commutation. At any moment during motor operation, two of the three phase windings are energised and the third is left floating. The six-step sequence works as follows:
يتكرر هذا التسلسل المكون من ست خطوات بمعدل يساوي التردد الكهربائي للمحرك. محرك ذو 8 أقطاب (4 أزواج أقطاب) يدور بسرعة 750 دورة في الدقيقة لديه تردد كهربائي قدره 750 دورة في الدقيقة × 4 أزواج مقسومة على 60 ثانية = 50 هرتز . تقوم وحدة التحكم بتبديل حالات التبديل عند 6 أضعاف هذا التردد، أو 300 مرة في الثانية ، والتي يتعامل معها المتحكم الدقيق الموجود داخل برنامج تشغيل BLDC بسهولة.
بالنسبة لتطبيقات مبردات الهواء التي يكون فيها التشغيل الهادئ أولوية عالية، يوفر التبديل الجيبي (التحكم الموجه ميدانيًا، FOC) تحسينًا كبيرًا مقارنة بالتخفيف الأساسي المكون من ست خطوات. بدلًا من التبديل فجأة بين مجموعات الطور المنفصلة، يطبق التحكم الجيبي تيارات موجة جيبية متفاوتة بسلاسة على جميع الأطوار الثلاثة في وقت واحد، مما ينتج مجالًا مغناطيسيًا يدور بشكل مستمر بدلاً من المجال المغناطيسي المتدرج. والنتيجة هي انخفاض كبير في تموج عزم الدوران وضوضاء المحرك.
عادةً ما تعمل وحدة التحكم بمحرك Air Cooler BLDC المتميزة التي تطبق التحكم FOC الجيبية على تقليل ضوضاء المحرك المسموعة بنسبة 5 إلى 15 ديسيبل (أ) مقارنةً بوحدة تحكم من ست خطوات تقود نفس المحرك، وهو فرق كبير جدًا نظرًا لأن الانخفاض بمقدار 10 ديسيبل يُنظر إليه على أنه نصف الصوت تقريبًا. بالنسبة لمبردات الهواء في غرفة النوم أو مبردات المكاتب حيث تكون حساسية الضوضاء أعلى، يوصى بشدة باستخدام وحدة تحكم جيبية على الرغم من أنها تكلف أكثر إلى حد ما من مجرد محرك بسيط من ست خطوات.
سواء كنت شركة مصنعة للمعدات الأصلية لمبرد الهواء (OEM) تحدد محركات لخط إنتاج جديد أو مستخدمًا نهائيًا يقوم بتعديل مبرد الهواء الموجود باستخدام محرك تبريد الهواء الخارجي BLDC لتقليل استهلاك الطاقة، فإن الإرشادات العملية التالية تغطي اعتبارات الاختيار والتركيب الرئيسية.
ال motor power must be sufficient to drive the fan at the required airflow against the system's static pressure resistance (the resistance of the wet pads, ductwork, and other airflow restrictions). For a residential evaporative air cooler, the typical total system resistance is 5 إلى 20 باسكال ويجب أن تتغلب المروحة على هذه المقاومة أثناء توصيل تدفق الهواء المطلوب.
كدليل عملي للتحجيم: لكل 1000 م3/ساعة من تدفق الهواء المطلوب مقابل ضغط ثابت إجمالي قدره 10 باسكال، يتطلب المحرك تقريبًا قوة العمود من 5 إلى 8 واط . إن القسمة على كفاءة المحرك (عادةً 85 إلى 90٪ لمحرك BLDC عالي الجودة) يعطي طاقة الإدخال الكهربائية المطلوبة. يتطلب مبرد بقدرة 3000 م3/ساعة مقابل 15 باسكال ما يقرب من 45 إلى 72 وات من قوة العمود، مما يعني محرك BLDC من 50 إلى 80 وات مناسب عند حساب الكفاءة الحركية.
عند إعادة تجهيز مبرد الهواء الموجود باستخدام محرك تبريد الهواء الخارجي BLDC، تحقق مما يلي قبل طلب المحرك البديل:
محرك تبريد هواء خارجي BLDC DC149 بقوة 220 فولت/700 واط
DC149 محرك BLDC تبريد هواء خارجي 220 فولت 700 واط
DC149 محرك BLDC تبريد هواء خارجي 220 فولت 600 واط
محرك تبريد الهواء التبخيري ثلاثي الطور 380 فولت 1500 واط YS90L-4
محرك تبريد الهواء التبخيري ثلاثي الطور 380 فولت 2200 واط YS100L-4
محرك تبريد الهواء التبخيري ثلاثي الطور 380 فولت 1500 واط YS90L-4
YY71-2 محرك خلاط الخرسانة المحمول 230 فولت 650 واط
YY71-2 محرك خلاط الخرسانة المحمول 110 فولت 800 واط