Số 8, đường Duxiu San, thị trấn Ganlin, thành phố Sheng Châu, thành phố Thiệu Hưng, tỉnh Chiết Giang, Trung Quốc
Cách chế tạo động cơ BLDC bao gồm việc chế tạo một động cơ dòng điện một chiều không chổi than từ năm hệ thống con lõi: một stato với các pha cuộn dây bằng đồng, một cụm rôto mang nam châm vĩnh cửu, một hệ thống cảm biến vị trí (Cảm biến hiệu ứng Hall hoặc phát hiện EMF ngược), bộ điều khiển tốc độ điện tử ba pha (trình điều khiển ESC hoặc BLDC) và vỏ cơ khí căn chỉnh và hỗ trợ các cụm quay và cụm cố định. Một Động cơ BLDC làm mát không khí là động cơ DC không chổi than được lựa chọn và cấu hình đặc biệt cho hoạt động của quạt làm mát không khí bay hơi, trong đó các yêu cầu thiết kế cơ bản là tiêu thụ điện năng thấp (18 đến 55 watt) , vận hành êm ái, hiệu suất cao ở tốc độ quạt từ thấp đến trung bình và độ tin cậy khi vận hành liên tục nhiều giờ hàng ngày trong điều kiện ẩm ướt. Một Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài (còn gọi là động cơ BLDC rôto ngoài hoặc động cơ BLDC rôto ngoài) sử dụng cấu trúc trong đó rôto nam châm vĩnh cửu quay xung quanh bên ngoài của stato cố định, thay vì quay bên trong nó, đây là kiến trúc lý tưởng cho các ứng dụng quạt truyền động trực tiếp vì cụm cánh quạt gắn trực tiếp vào vành rôto ngoài có đường kính lớn mà không cần hộp số hoặc khớp nối. Hướng dẫn đầy đủ này bao gồm toàn bộ lý thuyết kỹ thuật, các bước xây dựng thực tế và tiêu chí lựa chọn dành riêng cho ứng dụng cho cả ba chủ đề.
Hiểu biết cách chế tạo động cơ BLDC bắt đầu bằng việc hiểu lý do tại sao động cơ DC không chổi than tồn tại và về cơ bản nó khác với động cơ DC có chổi than mà nó thay thế. Động cơ DC có chổi than sử dụng chổi than vật lý ép vào vòng cổ góp quay để chuyển hướng dòng điện trong cuộn dây rôto khi động cơ quay. Cơ cấu chuyển mạch này tạo ra ma sát, sinh nhiệt, tạo ra nhiễu điện và hao mòn theo thời gian khi chổi than bị ăn mòn và bề mặt cổ góp xuống cấp. Động cơ BLDC loại bỏ cả chổi than và cổ góp bằng cách đặt nam châm vĩnh cửu trên rôto và cuộn dây trên stato và bằng cách sử dụng chuyển mạch điện tử (bộ điều khiển BLDC) để chuyển mạch dòng điện thay vì tiếp xúc cơ học.
Kết quả là một động cơ có không đeo bề mặt tiếp xúc , hiệu quả cao hơn đáng kể (thường 85 đến 95% so với 60 đến 85% đối với động cơ chổi than ), tiếng ồn nghe được thấp hơn nhiều, mật độ công suất cao hơn (công suất lớn hơn trên mỗi kg khối lượng động cơ) và tuổi thọ sử dụng được đo bằng hàng nghìn giờ thay vì hàng trăm giờ. Những ưu điểm này giải thích tại sao động cơ BLDC đã thay thế động cơ chổi than trong các ứng dụng từ ổ cứng máy tính và động cơ đẩy của máy bay không người lái đến máy giặt và quan trọng trong bài viết này là quạt làm mát không khí dân dụng và thương mại.
Lõi cố định mang cuộn dây đồng quấn. Stator tạo ra từ trường quay khi dòng điện ba pha được đặt vào cuộn dây của nó theo đúng trình tự. Các lớp mỏng của stato được làm từ thép silicon để giảm thiểu tổn thất dòng điện xoáy.
Cụm quay mang nam châm vĩnh cửu neodymium hoặc ferrite. Rôto đi theo từ trường quay do stato tạo ra, tạo ra chuyển động quay cơ học. Trong thiết kế rôto ngoài, rôto bao quanh stato.
Ba cảm biến hiệu ứng Hall được đặt cách nhau 120 độ sẽ phát hiện vị trí nam châm rôto và báo cáo cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển sử dụng dữ liệu vị trí này để cấp điện cho các pha cuộn dây stato chính xác theo trình tự, duy trì chuyển động quay trơn tru.
Bộ điều khiển tốc độ điện tử đọc tín hiệu cảm biến Hall và điều khiển sáu MOSFET công suất trong mạch cầu ba pha để cấp điện áp vào cuộn dây stato theo trình tự chuyển mạch chính xác. Điều khiển PLC điều chỉnh tốc độ.
Các bước sau đây mô tả cách chế tạo động cơ BLDC từ các thành phần cốt lõi, bao gồm cả cấu hình rôto bên trong (truyền thống) và rôto bên ngoài. Cấu hình rôto bên ngoài được chi tiết cụ thể vì đây là thiết kế chủ đạo cho Động cơ BLDC làm mát không khí và Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài ứng dụng.
Khi thiết kế hoặc chế tạo động cơ BLDC từ đầu, các thông số sau phải được tính toán và cân bằng với nhau:
| tham số | Phạm vi điển hình | Tác dụng của việc tăng | Tác dụng giảm |
|---|---|---|---|
| Số lượng rãnh stato | 9, 12, 18, 24 | Mô-men xoắn mượt mà hơn, giảm hiện tượng ăn khớp | Cuộn dây đơn giản hơn, mô men xoắn nhiều hơn |
| Số cực rôto | 4, 8, 10, 14 | Mật độ mô-men xoắn cao hơn, RPM tối đa thấp hơn | RPM tối đa cao hơn, mật độ mô-men xoắn thấp hơn |
| Số vòng quấn trên mỗi cuộn dây | 5 đến 80 lượt | Kv cao hơn (tốc độ cao hơn ở cùng điện áp) | Kv thấp hơn (nhiều mô-men xoắn hơn, tốc độ thấp hơn) |
| Máy đo dây (đường kính) | 0,3 mm đến 1,5 mm | Điện trở thấp hơn, công suất hiện tại cao hơn | Điện trở cao hơn, nhiệt nhiều hơn ở cùng dòng điện |
| Khe hở không khí (rôto đến stato) | 0,3 mm đến 1,5 mm | Giảm khớp nối từ, hiệu quả thấp hơn | Khớp nối từ tốt hơn, nguy cơ tiếp xúc |
| Lớp nam châm | N35 đến N52 (NdFeB) | Mật độ từ thông cao hơn, hiệu suất tốt hơn | Chi phí thấp hơn, giảm khả năng chịu nhiệt |
| Chiều dài ngăn xếp (trục) | 10 mm đến 100 mm | Mô-men xoắn và công suất cao hơn | Nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn |
Kv (hằng số vận tốc) là thông số kỹ thuật quan trọng nhất để mô tả đặc tính tốc độ và mô-men xoắn của động cơ BLDC. Kv được định nghĩa là số vòng quay mỗi phút (RPM) mà động cơ quay cho mỗi volt đặt vào các cực của động cơ khi chạy không tải. Một động cơ có Kv 500 vòng/phút chạy ở tốc độ 5.000 vòng/phút khi được cung cấp điện áp 10 volt (không tải). Một động cơ có Kv 100 vòng/phút chỉ chạy ở tốc độ 1.000 vòng/phút ở điện áp 10 volt nhưng tạo ra mô-men xoắn tương ứng nhiều hơn.
Đối với động cơ BLDC của Máy làm mát không khí chạy trực tiếp từ nguồn điện xoay chiều 230V (được chỉnh lưu về mức đỉnh khoảng 325V DC hoặc được điều chỉnh về điện áp DC thấp hơn bằng nguồn điện), Kv phải được chọn sao cho động cơ hoạt động ở tốc độ quạt mục tiêu ở điện áp khả dụng. Tốc độ quạt 350 vòng/phút từ nguồn điện 24V DC được điều chỉnh yêu cầu Kv xấp xỉ 350 chia cho 24, hoặc khoảng 15 RPM/V , đạt được bằng cách sử dụng nhiều vòng quấn hơn và là đặc trưng của động cơ quạt cánh quạt ngoài có mô-men xoắn cao, tốc độ thấp.
các Động cơ BLDC làm mát không khí đại diện cho một sự nâng cấp công nghệ đáng kể từ động cơ cảm ứng một pha chạy bằng tụ điện vốn đã thống trị thị trường máy làm mát không khí bay hơi dân dụng và thương mại trong nhiều thập kỷ. Để hiểu lý do tại sao quá trình chuyển đổi này diễn ra đòi hỏi phải so sánh hai công nghệ trên mọi khía cạnh hiệu suất có liên quan.
các 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:
Tại các thị trường có giá điện cao hơn (Châu Âu, Vương quốc Anh, một số khu vực Châu Á) hoặc trong các ứng dụng thương mại có nhiều máy làm mát không khí chạy nhiều giờ hơn, hiệu quả kinh tế của động cơ Máy làm mát không khí BLDC thậm chí còn mạnh mẽ hơn. Một sàn nhà máy có 20 máy làm mát không khí chạy 16 giờ mỗi ngày sẽ tiết kiệm được khoảng 4.320 kWh mỗi mùa từ việc nâng cấp công nghệ tương tự, giúp giảm chi phí vận hành đáng kể.
Bộ động cơ BLDC của Máy làm mát không khí dành cho máy làm mát không khí dân dụng có hai cấu hình điện chính:
các 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.
các 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.
Quạt làm mát không khí hoạt động ở 200 đến 800 vòng/phút , nằm trong phạm vi tốc độ đầu ra trực tiếp của động cơ BLDC rôto ngoài. Không cần hộp số giảm tốc độ, loại bỏ tiếng ồn của bánh răng, tổn thất hiệu suất bánh răng (thường từ 2 đến 8%) và điểm hỏng hóc cơ học.
các 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.
các 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.
Cấu tạo của Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài từ các bộ phận khác với cấu trúc rôto bên trong ở một số điểm quan trọng. Các chi tiết sau đây bao gồm những khác biệt và thách thức cụ thể của việc xây dựng cánh quạt bên ngoài:
Thông số kỹ thuật của Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài chủ yếu phù hợp với công suất luồng khí của máy làm mát không khí, được đo bằng mét khối mỗi giờ (m3/h) hoặc feet khối mỗi phút (CFM). Bảng sau đây hiển thị thông số kỹ thuật động cơ điển hình cho các kích cỡ bộ làm mát khác nhau:
| Loại làm mát | Luồng khí (m3/h) | Công suất động cơ | Phạm vi tốc độ | Cánh quạt Diameter | Điện áp cung cấp |
|---|---|---|---|---|---|
| Máy làm mát máy tính để bàn cá nhân | 150 đến 300 m3/h | 12 đến 18 W | 600 đến 1.200 vòng/phút | 80 đến 120 mm | 12V hoặc 24V DC |
| Máy làm mát phòng nhỏ (20 đến 40 m2) | 1.000 đến 2.000 m3/h | 18 đến 30 W | 350 đến 900 vòng/phút | 150 đến 200mm | 230V AC hoặc 24V DC |
| Máy làm mát phòng cỡ vừa (40 đến 80 m2) | 3.000 đến 5.000 m3/h | 30 đến 50 W | 300 đến 750 vòng/phút | 200 đến 280 mm | 230V AC hoặc 48V DC |
| Máy làm mát thương mại/công nghiệp | 8.000 đến 20.000 m3/h | 100 đến 250 W | 200 đến 500 vòng/phút | 350 đến 500 mm | Điện áp xoay chiều 230V hoặc 415V |
Không có cuộc thảo luận nào về cách tạo ra một hệ thống động cơ BLDC hoàn chỉnh mà không đề cập đến bộ điều khiển, bởi vì động cơ BLDC không thể hoạt động nếu không có mạch chuyển mạch điện tử của nó. Động cơ và bộ điều khiển phụ thuộc lẫn nhau: hiệu suất hoạt động của động cơ hoàn toàn được xác định bởi chất lượng, độ tinh vi và sự phù hợp của bộ điều khiển với động cơ.
các 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:
Trình tự sáu bước này lặp lại với tốc độ bằng tần số điện của động cơ. Một động cơ có 8 cực (4 cặp cực) quay với tốc độ 750 vòng/phút có tần số điện là 750 vòng/phút x 4 đôi chia cho 60 giây = 50 Hz . Bộ điều khiển chuyển trạng thái giao hoán tại 6 lần tần số này, hoặc 300 lần mỗi giây , mà bộ vi điều khiển bên trong trình điều khiển BLDC xử lý dễ dàng.
Đối với các ứng dụng làm mát không khí trong đó ưu tiên cao là hoạt động yên tĩnh, chuyển mạch hình sin (điều khiển theo trường, FOC) mang lại sự cải thiện đáng kể so với chuyển mạch sáu bước cơ bản. Thay vì chuyển đổi đột ngột giữa các tổ hợp pha rời rạc, điều khiển hình sin áp dụng đồng thời các dòng điện hình sin biến đổi trơn tru cho cả ba pha, tạo ra từ trường quay liên tục thay vì từ trường quay từng bậc. Kết quả là giảm đáng kể gợn sóng mô-men xoắn và tiếng ồn động cơ.
Bộ điều khiển động cơ BLDC của Máy làm mát không khí cao cấp thực hiện điều khiển FOC hình sin thường giảm tiếng ồn động cơ nghe được bằng cách 5 đến 15 dB(A) so với bộ điều khiển sáu bước điều khiển cùng một động cơ, đây là một sự khác biệt rất đáng kể vì mức giảm 10 dB được coi là âm lượng gần bằng một nửa. Đối với máy làm mát không khí trong phòng ngủ hoặc máy làm mát văn phòng nơi có độ nhạy tiếng ồn cao nhất, chúng tôi đặc biệt khuyên dùng bộ điều khiển hình sin mặc dù chi phí cao hơn một chút so với bộ điều khiển sáu bước đơn giản.
Cho dù bạn là nhà sản xuất thiết bị làm mát không khí gốc (OEM) chỉ định động cơ cho dòng sản phẩm mới hay người dùng cuối trang bị thêm Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài cho máy làm mát không khí hiện có để giảm mức tiêu thụ năng lượng, hướng dẫn thực tế sau đây bao gồm các cân nhắc lắp đặt và lựa chọn chính.
các 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 đến 20 Pascal và quạt phải vượt qua lực cản này trong khi vẫn cung cấp luồng không khí cần thiết.
Là hướng dẫn định cỡ thực tế: đối với mỗi 1.000 m3/h luồng khí cần thiết đối với áp suất tĩnh tổng cộng 10 Pascal, động cơ cần khoảng Công suất trục 5 đến 8 watt . Chia cho hiệu suất của động cơ (thường là 85 đến 90% đối với động cơ BLDC chất lượng) sẽ cho ra công suất điện đầu vào cần thiết. Một bộ làm mát 3.000 m3/h so với 15 Pascal cần công suất trục khoảng 45 đến 72 watt, có nghĩa là Động cơ BLDC 50 đến 80 watt thích hợp khi tính toán hiệu suất của động cơ.
Khi trang bị thêm Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài cho máy làm mát không khí hiện có, hãy xác minh những điều sau trước khi đặt mua động cơ thay thế:
Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài DC149 220V/700W
Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài DC149 220V 650W
Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài DC149 220V 600W
Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài DC144 220V 600W
Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài DC144 220V 600W
Động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài DC149 220V 850W