Grupo 4 - Brushless DC Motors by André Nícolas

Circuito equivalente

anlelliscampos5731 — 2024-09-10 00:37:58 UTC

O circuito equivalente simplificado do motor BLDC é apresentado na figura acima. Como é possível observar, a topologia é semelhante ao da máquina síncrona, onde o enrolamento do estator por fase é representado por uma resistência (R_s) e pela indutância equivalente (L_s).

Da análise de circuitos, temos que a tensão terminal do motor (V_t), é dada por:

v_t=R_si+L_s\dfrac{di}{dt}+e_{ind}

Adicionalmente, para o motor BLDC, pode-se considerar as seguintes relações:

FEM induzida trapezoidal (e_ind):

e_{ind}=k_e\omega_m

onde, k_e é a constante de força contra eletromotriz e ⍵_m a velocidade angular do rotor em rad/s.

Conjugado eletromecânico (T_em):

T_{em}=\dfrac{P_{em}}{\omega_m}=\dfrac{qe_{ind}i}{\omega_m}

Referencia:

M. Azab, “Comparative Study of BLDC Motor Drives with Different Approaches: FCS-Model Predictive Control and Hysteresis Current Control”, World Electric Vehicle J., vol. 13, n.º 7, p. 112, junho de 2022. Consult. 2024-09-09. [Em linha]. Disponível: https://doi.org/10.3390/wevj13070112

Simulação - Controle de Velocidade

anlelliscampos5731 — 2024-09-10 00:50:20 UTC

Para aplicar os conhecimentos adquiridos durante o projeto, foram realizadas algumas simulações no Simulink, utilizando modelos já existentes.

A simulação demonstra o controle da velocidade do rotor de um motor BLDC, com uma fonte de torque ideal fornecendo a carga. O sistema de controle segue uma estrutura em cascata baseada em controladores PI, onde há uma malha externa para controlar a velocidade e uma malha interna para regular a tensão no barramento CC. A regulação da tensão no barramento CC é feita por meio de um conversor Buck DC-DC. O motor BLDC é alimentado por um inversor trifásico controlado, e os sinais de comando do inversor são gerados a partir dos sensores hall. A simulação opera com diferentes etapas de variação de velocidade.

O subsistema Escopos inclui instrumentos que permitem visualizar os resultados da simulação em tempo real.

Simulação - Controle de Velocidade - Resultado

anlelliscampos5731 — 2024-09-10 00:54:31 UTC

Neste ponto, é possível visualizar a velocidade do eixo do motor BLDC em RPM, assim como os valores de corrente em cada fase do estator. Além disso, ao inverter o sentido de rotação, nota-se que o padrão de chaveamento também se altera para se ajustar ao novo alinhamento.

O exemplo utilizado como base para esta simulação está disponível no link a seguir:https://www.mathworks.com/help/sps/ug/bldc-speed-control.html

Comparação BLDC vs. Outros Motores

anlelliscampos5731 — 2024-09-10 01:17:40 UTC

Vantagens:

Os motores BLDC possuem diversas vantagens em relação aos motores de corrente contínua com escovas e motores de indução, tais como:

Melhor desempenho na relação entre velocidade e torque.
Resposta dinâmica rápida.
Alta eficiência energética.
Longa durabilidade.
Funcionamento silencioso.
Capacidade de operar em faixas de velocidade mais elevadas.
Maior flexibilidade no controle.

Outra característica importante é que esses motores proporcionam uma alta relação entre torque e tamanho, o que os torna ideais para aplicações em que espaço e peso são fatores limitantes.

Em comparação com motores de corrente contínua escovados, destacam-se:

A ausência de escovas reduz os custos de manutenção, eliminando a necessidade de substituições frequentes.
Menor risco de faíscas, o que diminui a possibilidade de superaquecimento.

Desvantagens:

Em velocidades mais baixas, podem gerar vibrações no sistema.
Têm um custo mais elevado e exigem circuitos de realimentação, o que pode tornar a fiação e a operação mais complexas.
Dependem de controladores eletrônicos de comutação e componentes adicionais, como sensores de efeito Hall, para monitorar a posição do rotor.

Apesar dessas desvantagens, as vantagens dos motores BLDC os tornam uma escolha recomendada para diversas aplicações, especialmente quando são necessários alta eficiência, controle preciso e durabilidade.

Referência: “BLDC Motor, Advantages, Disadvantages, Applications, Working”. CS Electrical & Electronics. Consult. 2024-09-09. [Em linha]. Disponível: https://cselectricalandelectronics.com/bldc-motor-advantages-disadvantages-applications-working/

2024-09-10 01:23:59 UTC

O princípio de operação de um motor BLDC (Brushless DC) baseia-se na interação entre o rotor, que possui ímãs permanentes, e o estator, composto por bobinas. A eletrônica embarcada controla o motor de forma precisa, desligando e ligando as bobinas do estator em sequência, criando um campo magnético rotativo que faz o rotor girar. Sensores, como os sensores Hall, detectam a posição do rotor, e um controlador eletrônico comuta a corrente nas bobinas no momento adequado, mantendo o movimento contínuo e eficiente, sem a necessidade de escovas mecânicas.

Motores DC Brushless

2024-09-10 19:35:09 UTC

Nos motores DC convencionais escovados seu funcionamento se baseia em escovas que deslizam sobre o comutador que transmite a corrente para o rotor.

Referência: Kalatec Automação. "Motores BLDC - O que você precisa saber?" Blog Kalatec, 2024. Disponível em: Kalatec Blog

Aplicações

2024-09-10 21:51:59 UTC

Motores Brushless de pequeno porte têm uma ampla gama de aplicações devido à sua eficiência, durabilidade e precisão. Alguns exemplos são:

Equipamentos de rádio controle (RC): Em carrinhos, barcos e aviões de controle remoto, esses motores fornecem alta performance e confiabilidade.
Eletrodomésticos: Aparelhos como aspiradores de pó sem fio e ferramentas elétricas (furadeiras, parafusadeiras) usam motores brushless para melhorar a eficiência e a durabilidade.
Ventiladores e sistemas de refrigeração: Ventiladores de computadores e sistemas de resfriamento em eletrônicos frequentemente empregam motores brushless para operação silenciosa e de baixa manutenção.
Veículos elétricos em miniatura: Patinetes elétricos, bicicletas elétricas e outros veículos de mobilidade pessoal de pequeno porte usam motores brushless para proporcionar mais autonomia e menos necessidade de manutenção.
Dispositivos médicos: Equipamentos médicos pequenos e precisos, como bombas de infusão e dispositivos de ventilação, utilizam motores brushless devido à confiabilidade e precisão necessárias.
Impressoras 3D e CNCs: Motores brushless garantem controle preciso de movimentos, sendo usados para movimentação dos eixos em impressoras 3D e

2024-09-10 23:03:56 UTC

Já os motores brushless possuem ímãs permanentes acoplados a um eixo ou cilindro rotativo, que são movidos por campos eletromagnéticos gerados pelos enrolamentos elétricos. Esses, por sua vez, são controlados por um sistema eletrônico que regula a velocidade.

Na comutação eletrônica, os BLDC utilizam realimentação direta da posição angular do rotor para sincronizar a comutação da corrente de armadura entre as fases do motor. O inversor eletrônico e os sensores de posição desempenham um papel equivalente aos comutadores mecânicos encontrados nos motores de corrente contínua tradicionais. Essa abordagem elimina a necessidade de escovas, aumentando a eficiência e reduzindo o desgaste mecânico.

Referência:

R. H. Trindade, "Estudo de Máquinas Elétricas Não Convencionais - Motor Brushless DC," Trabalho de Conclusão de Curso, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2009.

Características gerais

2024-09-10 23:18:27 UTC

O motor brushless utiliza drivers de 12V a 48V para realizar a comutação, sendo alimentado por três fases que criam uma variação de polaridade baseada na posição do rotor, que contém ímãs permanentes. Essa comutação eletrônica é ajustada de maneira a garantir que o torque seja mantido constante durante o funcionamento, proporcionando maior eficiência e controle preciso do movimento.

Como os motores brushless não possuem escovas, eles apresentam maior eficiência em comparação com os motores escovados, que perdem potência devido ao atrito, resultando em menor conversão de energia elétrica em mecânica. Além disso, a ausência de escovas reduz a necessidade de manutenção, prolongando significativamente a vida útil em relação aos motores com escovas.

Aspectos construtivos

2024-09-11 00:31:32 UTC

O motor Brushless possui duas partes, uma fixa que é o estator, que é alimentado pelas 3 fases que comutam a polaridade por meio das bobinas e o rotor que é onde está o imã permanente que gira conforme a comutação ocorre transmitindo esse giro ao eixo.

Os sensores de posição geralmente são sensores de efeito hall que servem para monitorar a posição do rotor com o objetivo de energizar as bobinas para produzir o maior torque possível no sentido de giro.

Esse aspecto construtivo e seu modo de funcionamento confere a esse motor mais eficiência na conversão de energia.

Referência: Eletrogate. "ESC: Características e Funcionamento." Blog Eletrogate, 2020. Disponível em: Eletrogate Blog

2024-09-11 13:03:36 UTC