Soluções de movimento de última geração: Mecanismos e benefícios do motor BLDC
Um motor CC sem escovas (BLDC) realiza a comutação por meio de um controlador eletrônico e é projetado sem comutador (escovas de carbono e anéis coletores). Esse último faz parte dos motores com escovas tradicionais. Até o momento, esse motor é conhecido pela economia de energia, manutenção mínima e excelente desempenho geral. Não é de surpreender que ele seja amplamente usado em ferramentas elétricas, drones, veículos elétricos e residências comuns.
Uma característica importante dos motores sem escovas e dos motores com escovas tradicionais são suas diferenças. No caso dos motores com escovas, um ímã de campo estacionário cria um campo magnético permanente. Ao mesmo tempo, a corrente alternada que flui pelas bobinas do rotor gera um campo magnético perpendicular ao campo magnético do ímã. Esse campo magnético aplica força sempre que o rotor gira. Por fim, o comutador e as escovas equivalentes são responsáveis por inverter a direção da corrente.
Observe que o desgaste das escovas diminui a vida útil do motor e também pode causar uma faísca que não é totalmente segura para o usuário. Os que não têm escovas colocam ímãs de campo no estator com bobinas que são controladas por um gerenciador eletrônico, produzindo um campo magnético enfileirado para que o rotor se mova. Essas bobinas são as que tornam desnecessária a comutação mecânica. A ausência desses componentes não apenas aumenta o tempo de funcionamento do motor, mas também o torna mais eficiente e confiável.
| Recurso | Motor escovado | Motor sem escova |
|---|---|---|
| Método de comutação | Mecânico (escovas) | Eletrônico |
| Tempo de vida | Mais curto (desgaste da escova) | Mais tempo (sem desgaste mecânico) |
| Eficiência | Inferior (alta perda de energia) | Maior (baixa perda) |
| Ruído | Mais alto | Inferior |
| Custo de manutenção | Mais alto (requer substituição da escova) | Menor (quase sem manutenção) |
| Aplicações típicas | Pequenos eletrodomésticos | Drones, ferramentas elétricas |
Estrutura de um motor CC sem escova
O motor BLDC é composto de duas partes principais - o estator e o rotor - que trabalham em conjunto com um controlador eletrônico de velocidade (ESC) para obter uma operação eficaz e contínua. O estator, durante seu enrolamento ao redor da máquina, cria um circuito que gira e, assim, permite que os ímãs permanentes instalados no rotor girem, criando o efeito de que um comutador é desnecessário nos motores com escovas tradicionais. A maneira como funciona torna os campos de enrolamento muito mais duráveis e eficazes, tornando-os a melhor opção para ferramentas elétricas, drones e eletrodomésticos. Embora pareça complexo, seus recursos contribuem para um melhor desempenho e durabilidade.
Construção do estator e do rotor:
Estator: Quando conectado por um fio esmaltado no estator, o mecanismo eletromagnético que obtém sua energia dos enrolamentos cria um campo magnético. As partes essenciais do estator são a laminação do aço silício, o fio esmaltado, os rolamentos e os suportes.
Rotor: O rotor é a parte que está sendo carregada e é feito, por exemplo, de materiais de ímã permanente em torno dos quais há um eixo, ímãs e algumas outras peças necessárias. O desempenho está diretamente relacionado ao número de polos magnéticos: mais polos proporcionam maior torque à custa de menor velocidade e vice-versa.
Funções dos principais componentes:
Ímãs: Geralmente feitos de ímãs de neodímio, eles determinam a potência, a velocidade e o torque do motor. Os ímãs de alto desempenho podem tornar o motor não apenas mais forte, mas também mais eficiente em termos de energia.
Folhas de aço silício: Elas fazem com que o motor diminua a relutância magnética e aumente a eficiência por meio do design laminado.
Eixo e rolamentos: O eixo carrega a força de rotação e precisa ser muito duro e resistente ao desgaste; os rolamentos podem reduzir o atrito e garantir uma operação suave e durável.
Princípio de funcionamento dos motores CC sem escovas
O motor BLDC usa um controlador eletrônico, e o conceito é regular o fluxo de corrente para que o motor faça o rotor girar e não seja danificado pelo comutador mecânico usual usado nos motores com escovas tradicionais. O motor BLDC cria um campo magnético rotativo por meio dos enrolamentos do estator, fazendo com que os ímãs permanentes se movimentem no rotor. Com base na disposição do enrolamento, um motor BLDC pode ser monofásico, bifásico ou trifásico, sendo o trifásico o preferido para eletrodomésticos, ferramentas elétricas e equipamentos industriais, pois é muito eficiente e estável.
O BLDC monofásico geralmente usa apenas um conjunto de enrolamentos, que são acionados por uma fonte monofásica. Esse circuito de controle emprega principalmente uma ponte H, em que os sinais de realimentação são usados para detectar a mudança de sinal que procede a força motriz do rotor. Esses tipos de motores podem ser facilmente fabricados e são simples de construir. A vantagem mencionada é a principal razão pela qual esses motores são amplamente difundidos e comumente usados em ventiladores de resfriamento ou pequenos eletrodomésticos.
O BLDC bifásico é caracterizado por seus dois conjuntos de enrolamentos, que geralmente são colocados ortogonalmente e acionados por uma fonte de alimentação bifásica. Com relação às características operacionais, o projeto bifásico fica atrás apenas do trifásico, mas supera o motor monofásico em termos de eficiência e solavancos. Ele é considerado raro em algumas áreas.
O motor BLDC trifásico tem três conjuntos de enrolamentos, geralmente interconectados na configuração estrela (Y) ou delta (Δ). Ele é acionado por meio de um circuito trifásico de ponte completa com método de comutação de seis etapas que altera a direção do fluxo de corrente de acordo com os sinais de feedback para acionar o movimento do rotor. Os BLDCs multifásicos são muito melhores do que os motores monofásicos em termos de regulagem de velocidade, funcionamento silencioso e supressão de ruído. Isso resultou em uma ampla aplicação em drones, veículos elétricos e equipamentos de automação no setor.
| Característica | BLDC monofásico | BLDC bifásico | BLDC trifásico |
|---|---|---|---|
| Número de enrolamentos | Conjunto único | Dois conjuntos (dispostos ortogonalmente) | Três conjuntos (configuração Y ou Δ) |
| Circuito de controle | Ponte H (4 MOSFETs) | 4 ou mais MOSFETs | Ponte completa trifásica (6 MOSFETs) |
| Eficiência | Inferior (aprox. 70%-80%) | Moderado (aprox. 75%-85%) | Superior (aprox. 80%-90%) |
| Ruído e suavidade | Média | Moderado | Excelente |
| Aplicações típicas | Ventiladores de resfriamento, pequenos eletrodomésticos | Pequenas bombas de água, motores de baixa velocidade | Drones, veículos elétricos, equipamentos industriais |
| Custo | Inferior | Moderado | Mais alto |
Inicialmente, os motores BLDC usavam predominantemente o controle PWM de onda quadrada, um método simples, mas que também podia produzir vibração e ruído. Agora, o PWM senoidal ou o controle orientado por campo está sendo preferido nos sistemas modernos, pois ambos começaram a dominar o PWM de onda quadrada no acionamento. O SPWM e o FOC imitam formas de onda senoidais suaves, o que leva à otimização da saída de corrente.
Aplicações do motor BLDC
O motor BLDC é conhecido por suas vantagens, como alta eficiência, baixo ruído e longa vida útil. Isso fez com que os motores BLDC ampliassem sua área de aplicação para os setores automotivo, de controle industrial, de automação, aeroespacial e de eletrônicos de consumo diário. Três tipos de BLDCs com aplicações típicas são diferenciados pelo tipo de carga e pelo requisito de controle: aplicações de carga contínua, aplicações de carga variável e aplicações de posicionamento.
Esse tipo de aplicação é mais adequado para demandas de velocidade moderada, mas requer um funcionamento estável, estável e de longo prazo e, geralmente, um controle de loop aberto para manter a simplicidade e a economia.
1. Aplicações de carga contínua
Os aplicativos mencionados são geralmente usados nos casos em que uma máquina funciona com baixa potência e a acessibilidade é baseada na velocidade, que é moderada e consistente. Nesse modo de operação, o recurso de confiabilidade é de importância primordial. Na maioria das vezes, esses sistemas são controlados por um método de malha aberta, o que torna o projeto simples e econômico; portanto, é uma escolha fácil e adequada para requisitos comuns.
2. Aplicações de carga variável
São predominantemente controladores de economia de energia usados em aplicações de controle de circuito aberto, com um projeto simples e econômico para atender às necessidades básicas da maioria dos usuários. Enquanto isso, esses sistemas podem não apenas variar a corrente e a tensão, mas também podem ser usados em loop fechado parcial ou em loop aberto, de acordo com as necessidades de energia do usuário, o que resulta em outro recurso ecologicamente correto e em uma utilidade relativamente alta.
3. Aplicativos de posicionamento
Esses dispositivos, além de projetar produtos, também se preocupam com o controle de velocidade de todo o produto com a ajuda do motor. As mais recentes tecnologias de controle de malha fechada, incluindo metodologias inovadoras como o controle orientado por campo, garantem que as tarefas mais difíceis e precisas possam ser resolvidas por meio de um desempenho muito melhor, que é garantido pelos sistemas de controle de malha fechada.
Características e vantagens dos motores CC sem escovas
Os motores CC sem escovas são reconhecidos como uma solução de energia ideal para uso residencial e industrial, pois seu design e desempenho excepcionais superam os dos motores com escovas tradicionais, motores de frequência variável e motores assíncronos.
Sem comutação mecânica
Sem perdas de excitação nem perdas por atrito devido a raspagens de carbono, os motores BLDC atingem eficiências de 85%-90%, superando em muito a eficiência de 60%-70% dos motores com escovas. Dependendo das condições de carga, a economia geral de energia pode variar de 20%-60%.
Alta eficiência e economia de energia
Os motores BLDC podem substituir sem problemas os sistemas tradicionais de controle de velocidade de motores CC, combinações de motores de frequência variável com inversores e motores assíncronos emparelhados com caixas de engrenagens. Da mesma forma, os eletrodomésticos podem ser atualizados com motores BLDC para simplificar o projeto e reduzir o consumo de energia.
Grande versatilidade e potencial de substituição
Compactos em tamanho e leves em peso, os motores BLDC proporcionam alta potência. Eles oferecem grande torque de partida, baixa corrente de partida, uma ampla faixa de velocidade e grande capacidade de sobrecarga.
Desempenho superior
Com suporte para partida e parada suaves, os motores BLDC oferecem excelente desempenho de frenagem, com níveis de ruído tão baixos quanto 30-40 decibéis e vibração mínima. Isso torna os eletrodomésticos mais silenciosos e os equipamentos industriais mais estáveis, prolongando a vida útil e melhorando significativamente a experiência do usuário.
Dedico-me a escrever artigos científicos populares sobre ímãs. Meus artigos se concentram principalmente em seus princípios, aplicações e anedotas do setor. Nosso objetivo é fornecer aos leitores informações valiosas, ajudando todos a entender melhor o encanto e a importância dos ímãs. Ao mesmo tempo, estamos ansiosos para ouvir suas opiniões sobre as necessidades relacionadas aos ímãs. Fique à vontade para nos seguir e interagir conosco enquanto exploramos juntos as infinitas possibilidades dos ímãs!
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