Βασικές αρχές ηλεκτροκινητήρων χωρίς ψήκτρες BLDC

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες που χρησιμοποιούνται σήμερα ανήκουν σε 2 κατηγορίες: Στους ηλεκτρικούς κινητήρες εναλλασσομένου AC (Alternate Current) και στους κινητήρες συνεχούς DC (Direct Current). Όλοι οι ηλεκτροκινητήρες συχνά αναφέρονται ως ηλεκτρικά μοτέρ.
Τα ηλεκτρικά μοτέρ εναλλασσομένου χωρίζονται σε δύο υποκατηγορίες. Στα σύγχρονα και ασύγχρονα. Για ευνόητους λόγους οι ηλεκτροκινητήρες εναλλασσομένου AC συνδέονται συνήθως με 220V ή 380V, ενώ οι ηλεκτροκινητήρες DC συνδέονται  με συνεχή τάση συνήθως 12V, ή 24V, ή 36V.
Οι ηλεκτροκινητήρες συνεχούς τάσης DC χωρίζονται σε τρεις υποκατηγορίες:
     1. Απλοί ηλεκτροκινητήρες με ψήκτρες DC
     2. Ηλεκτροκινητήρες χωρίς ψήκτρες BLDC
     3. Βηματικοί κινητήρες Stepper motors

Ηλεκτρικά μοτέρ χωρίς ψήκτρες BLDC, ή ηλεκτρικοί κινητήρες BLDC, ή ηλεκτροκινητήρες BLDC
Στους ηλεκτρικούς κινητήρες DC με ψήκτρες για την αγώγιμη επαφή των + και - της τροφοδοσίας με το περιστρεφόμενο μέρος (το ρότορα) του ηλεκτροκινητήρα χρησιμοποιούνται δύο ψήκτρες (brushes). Με την πάροδο του χρόνου οι ψήκτρες φθείρονται και πρέπει να αντικατασταθούν. Για το λόγο αυτό, τα τελευταία χρόνια αναπτύχθηκαν οι ηλεκτροκινητήρες χωρίς ψήκτρες BLDC (BrushLess DC) και οι βηματικοί κινητήρες.

Ομοιότητες των ηλεκτρικών κινητήρων BLDC και των ηλεκτρικών κινητήρων DC
Και οι δύο τύποι κινητήρων αποτελούνται από έναν στάτορα με μόνιμους μαγνήτες ή ηλεκτρομαγνητικά πηνία και έναν ρότορα με περιελίξεις πηνίων που μπορούν να τροφοδοτούνται με συνεχές ρεύμα στο εσωτερικό. Όταν ο κινητήρας τροφοδοτείται από συνεχές ρεύμα, θα δημιουργηθεί ένα μαγνητικό πεδίο μέσα στον στάτορα, είτε προσελκύοντας είτε απωθώντας τους μαγνήτες στον ρότορα. Αυτό προκαλεί την έναρξη περιστροφής του ρότορα.
Διαφορές μεταξύ των ηλεκτρικών κινητήρων BLDC και των ηλεκτρικών κινητήρων DC
Η πιο εμφανής διαφορά μεταξύ ενός κινητήρα BLDC και ενός συμβατικού κινητήρα DC είναι ο τρόπος εναλλαγής της πολικότητας. Ένας κινητήρας DC χρησιμοποιεί ψήκτρες (καρβουνάκια) για αυτό το σκοπό. Ένα μειονέκτημα αυτών των ψηκτρών είναι ότι φθείρονται γρήγορα. Για την εναλλαγή πολικότητας στους ηλεκτροκινητήρες BLDC χρησιμοποιούνται αισθητήρες Hall για την αίσθηση της θέσης του ρότορα και μιας πλακέτας κυκλώματος που λειτουργεί ως διακόπτης. Τα σήματα των αισθητήρων υποβάλλονται σε επεξεργασία από την ψηφιακό κύκλωμα, το οποίο ελέγχει με ακρίβεια τη σωστή στιγμή εναλλαγής καθώς ο ρότορας περιστρέφεται.

Oι ηλεκτρικοί κινητήρες BLDC δεν χρειάζονται συντήρηση, έχουν πολύ καλύτερο βαθμό απόδοσης από τους κινητήρες DC. Για τη λειτουργία τους απαιτείται ειδικό ψηφιακό κύκλωμα οδήγησης τους. Σε όλα τα χαρακτηριστικά υπερτερούν των ηλεκτροκινητήρων με ψήκτρες εκτός από την τιμή και την πολυπλοκότητα οδήγησης. Χρησιμοποιούνται ευρύτατα στα Drones κ.τ.λ.
Η πιο συνηθισμένη διάταξη σύνδεσης ηλεκτροκινητήρων BLDC χωρίς ψήκτρες είναι αυτή του παράπλευρου σχήματος με τα έξι ηλεκτρομαγνητικά κυκλώματα του στάτορα που συνδέονται σε κοινό σημείο com. Για την παραγωγή της κίνησης περιστρέφεται το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εξαναγκάζοντας σε περιστροφή το μόνιμο μαγνήτη στο κέντρο. Έτσι, ενεργοποιούνται διαδοχικά ως βόρειοι πόλοι του στάτη τα 110-->010-->011-->001-->101-->100 εξαναγκάζοντας το μόνιμο μαγνήτη (ρότορα) να περιστραφεί. Η αναστροφή της κίνησης γίνεται ενεργοποιώντας αντίστροφα τα 100-->101-->001 κ.τ.λ. Ο διαδοχική  ενεργοποίηση των τυλιγμάτων καθορίζει την ταχύτητα περιστροφής και επιτυγχάνεται εύκολα με ψηφιακά κυκλώματα. Συνήθως τοποθετούνται στα τυλίγματα αισθητήρια Hall ώστε να γίνεται ο έλεγχος της στιγμής ενεργοποίησης του επόμενου τυλίγματος στην κατάλληλη χρονική στιγμή. Οι ηλεκτροκινητήρες BLDC μπορούν να συνδέονται με μειωτήρες όπως και οι ηλεκτροκινητήρες DC για μείωση της ταχύτητας περιστροφής και αύξηση της ροπής.
Πλεονεκτήματα:
1. Λόγω απουσίας ψηκτρών εμφανίζουν ελάχιστες μηχανικές φθορές και ελαχιστοποιείται η ανάγκη συντήρης.
2. Έχουν πολύ καλό βαθμό απόδοσης. 
3. Δεν προκαλείται θόρυβος και σπινθήρες από την τριβή με τους εναλλάκτες. 
4. Επιτυγχάνουν πολύ υψηλές ταχύτητες.
Μειονεκτήματα:
1. Είναι ακριβοί και απαιτείται κύκλωμα οδήγησης.
2.Οι υψηλότερες αποδόσεις τους αποσβένουν τη διαφορά κόστους μέσα σε λίγους μήνες, επιπρόσθετα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιβάλλοντα στα οποία άλλοι τύποι κινητήρων είναι προβληματικοί.

Συνοψίζοντας:
Οι ηλεκτροκινητήρες BLDC μοιάζουν πολύ με τους βηματικούς. Με τους βηματικούς ηλεκτροκινητήρες μπορούν να επιτευχθούν πολύ χαμηλές ταχύτητες περιστροφής σε διακριτά βήματα Η κίνηση με χαμηλή ταχύτητα των βηματικών κινητήρων όμως ουδεμία σχέση έχει με την ομοιόμορφη κίνηση των ηλεκτρικών κινητήρων DC και BLDC.  Σε έναν κινητήρα BLDC δύο από τα 6 πηνία ενεργοποιούνται κάθε φορά με ίσες και αντίθετες πολικότητες, το ένα ωθεί το ρότορα μακριά από αυτό, ενώ το άλλο τον τραβάει προς αυτό. Στη συνέχεια ενεργοποίούνται τα δύο επόμενα πηνία κ.ο.κ. Για ρύθμιση ταχύτητας και έλεγχο της κίνησης του ρότορα, απαιτείται η χρήση αισθητηρίου που θα ανιχνεύει τη θέση και τον προσανατολισμό του. Συνήθως χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση αισθητήρες Hall.
Συνοψίζοντας:
Στο εμπόριο διατίθεται μεγάλη ποικιλία μικρών ηλεκτροκινητήρων BLDC ή DC 12V ή 24V, με μειωτήρες καθώς και βηματικών κινητήρων συνήθως χωρίς μειωτήρα, αφού οι στροφές τους ελέγχονται από πρόγραμμα).
WYSIWYG Web Builder
Μικρό ηλεκτρικό μοτέρ BLDC με μειωτήρα


Μοτέρ BLDC Speed(RPM
)
      
14rpm         18.5rpm        30rpm             40rpm     54rpm         65rpm           88rpm           150rpm
200rpm       320rpm         700rpm          1550rpm

Τάση: 12V  ή 24V
Ροπή: 0.12-7.75kg.cm ανάλογα με την ταχύτητα
Hλεκτρικός μοτέρ BLDC με μειωτήρα


Μοτέρ BLDC Speed(RPM
): 
     
8RPM               14RPM              20RPM         40RPM             80RPM             130RPM           235RPM

Τάση: 12V  ή  24V
Ροπή: 0.12-70kg.cm ανάλογα με την ταχύτητα
Σχηματική παράσταση εσωτερικής δομής και λειτουργίας ηλεκτροκινητήρα χωρίς ψήκτρες BLDC


Ηλεκτρικοί κινητήρες χωρίς ψήκτρες BLDC

Ενδεικτικοί τύποι ηλεκτροκινητήρων χωρίς ψήκτρες BLDC

Ρυθμιστής ταχύτητας με παλμούς PWM για ηλεκτροκινητήρα BLDC

Working voltage: DC5V-15V
Working Current: continuous 1.5A (peak 2A)
Control power: 15W (maximum)
Static Current: 0.005A (standby)
PWM duty cycle: 1%-100%
Σχηματική παράσταση εναλλασσόμενης τάσης ή ρεύματος
Συνεχής τάση ή ρεύμα