UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
MOTORES DC BRUSHLESS:
PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES
Área de Engenharia Elétrica
por
Mateus Azevedo Spartano
Ely Carneiro de Paiva, Dr.
Orientador
Campinas (SP), Dezembro de 2006
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Sintese Sobre o Controle e Operação de Motores Brushless DC (BLDC), Notas de estudo de Engenharia Elétrica
Uma síntese sobre a estrutura, modos de controle e operação de motores brushless dc (bldc). Além disso, oferece uma comparação entre motores elétricos convencionais e motores bldc, e destaca suas vantagens, como melhor torque-velocidade característica e utilidade em espaços físicos críticos. O documento também discute a importância da tecnologia de semicondutores e drivers de controle na redução de custos e aumento da utilização destes motores em diversos setores.
Tipologia: Notas de estudo
2022
1 / 46
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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
MOTORES DC BRUSHLESS:
PRINCÍPIOS E APLICAÇÕES
Área de Engenharia Elétrica
por
Mateus Azevedo Spartano
Ely Carneiro de Paiva, Dr.
Orientador
Campinas (SP), Dezembro de 2006
UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
MOTOR DC BRUSHLESS
FUNCIONAMENTO E CONTROLE
Área de Engenharia Elétrica
por
Mateus Azevedo Spartano
Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação. Orientador: Ely Carneiro de Paiva, Dr.
Campinas (SP), Dezembro de 2006.
i
AGRADECIMENTOS
Agradeço meu professor e orientador Ely Carneiro de Paiva pela dedicada orientação para a realização deste trabalho.
Agradeço também meus colegas de graduação e professores que participaram na realização deste trabalho.
iii
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS............................................................................................. V
LISTA DE FIGURAS ..........................................................................................................VI
LISTA DE TABELAS ....................................................................................................... VII
LISTA DE EQUAÇOES ................................................................................................. VIII
RESUMO .............................................................................................................................IX
LISTA DE FIGURAS
- INTRODUÇÃO:............................................................................................................... ABSTRACT........................................................................................................................... X
- 1.1. OBJETIVOS
- 1.1.1. Objetivo Geral.............................................................................................................
- 1.1.2. Objetivos Específicos
- MOTOR DC CONVENCIONAL (BRUSHED)
- 2.1. Aspectos Construtivos
- 2.2. Princípio de Funcionamento.........................................................................................
- MOTOR BLDC: FUNDAMENTOS...............................................................................
- 3.1. Aspectos Construtivos:..................................................................................................
- 3.2. Construção do estator
- 3.3. Construção do rotor:
- 3.4. Sistema de operação do motor brushless:
- MOTOR BLDC: SENSORES E REALIMENTAÇÃO..............................................
- 4.1. Sensores de Efeito Hall................................................................................................
- 4.2. Força contra eletromotriz (f.c.e.m)
- 4.2.1. Característica do torque versus velocidade............................................................
- MOTORES BLDC: ACIONAMENTO E CONTROLE
- 5.1. Controle da comutação do motor através do sensor Hall........................................
- 5.2. Controle de comutação através da f.c.e.m (Sensorless)
- MOTORES BLDC 6. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE MOTORES DC CONVENCIONAIS E
- CARACTERÍSTICAS DE TORQUE DE UM BLDC................................................
- 7.1. Requerimento de torque de pico
- 7.2. Torque RMS.................................................................................................................
- 7.3. Limites de velocidade
- APLICAÇÕES DE MOTORES BLDC........................................................................
- 8.1. Aplicação com cargas constantes
- 8.2. Aplicações com cargas variáveis
- 8.3. Aplicação de posicionamento......................................................................................
- 8.3.1. Considerações finais
- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...............................................................................
- GLOSSARIO........................................................................................................................
- Figura 1 Desenho (a) e foto (b) de um motor CC de 2 pólos...............................................................
- Figura 2 Sistema de Comutação...........................................................................................................
- Figura 3 Princípio de funcionamento do motor CC. ............................................................................
- Figura 4 Comutador e escovas. ............................................................................................................
- Figura 5 Motor Brushless desmontado (“da esquerda para direita” rotor, estator e sensor Hall)........
- Figura 6 Estator de um BLDC............................................................................................................
- Figura 7 f.c.e.m trapezoidal................................................................................................................
- Figura 8 f.c.e.m senoidal. ...................................................................................................................
- Figura 9 Rotor de ímã permanente.....................................................................................................
- Figura 10 Seqüência de energização de um motor BLDC. ................................................................
- Figura 11 Seção transversal de um motor brushless. .........................................................................
- Figura 12 Curva característica torque versus velocidade...................................................................
- Figura 13 Típica forma de onda da corrente em um motor BLDC ....................................................
- Figura 14 Acionamento típico de um motor Brushless......................................................................
- Figura 15 Diagrama em blocos do controle de um BLDC (sensor Hall)...........................................
- Figura 16 Diagrama em blocos de um motor BLDC sensorless. .......................................................
- Figura 17 Sinal do sensor Hall, contra f.e.m, torque de saída e fase da corrente...............................
- Figura 18 Curva trapezoidal da velocidade........................................................................................
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Seqüência de comutação do motor BLDC [2]..................................................................... Tabela 2 Seqüência de comutação do motor BLDC [2]..................................................................... Tabela 3 Comparação entre motor dc BLDC e motor dc convencional (Brushed) [2]......................
RESUMO
AZEVEDO SPARTANO, Mateus. Brushless: Princípios e aplicações. Campinas, Ano. 2006 f. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, 2006.
Motores dc brushless estão sendo usados largamente pela indústria automotiva, médica e outras, devido a sua eficiência, tamanho reduzido, baixo ruído e manutenção, silenciosa operação, eficiência e durabilidade. A grande vantagem destes tipos de motores é a possibilidade de controle preciso da rotação e torque. Sistemas de controle baseados na posição do rotor ou na força contra eletromotriz gerada no enrolamento do estator são grandes focos de pesquisa e estudos. Com o surgimento de novas tecnologias os sistemas de controle destes tipos de motores serão barateados e sua utilização em diversos ramos do mercado poderá aumentar.
Este trabalho apresenta uma síntese sobre a estrutura e os modos de controle e operação do motor dc brushless. Apresenta-se também um estudo comparativo com o motor dc convencional com escovas, listando suas vantagens e desvantagens. Será dada ênfase na aplicação do motor brushless em bomba de combustível em automóveis.
PALAVRAS-CHAVE: Motores sem escovas, motor DC, máquinas elétricas, servomotores.
ix
ABSTRACT
The importance of Brushless dc motors is increasing in the last years, with many new applications in the industry as automotive, medical and others. The main reasons for that are their efficiency, low size, low noise generation, reduced maintenance, and greater durability. The great precision in the torque and speed control are other important advantages of this kind of electrical machine. The feedback control based on position sensors or the counter electromotive force (emf) are important areas of research under investigation. With the development of new technologies for the control of this kind of motors, their costs will be reduced and the range of applications will spread to different areas of the industry.
KEYWORDS: dc motor, brushless dc motor, BLDC motor, motor control.
- Altas taxas de velocidade.
Outra grande vantagem é a razão entre o torque fornecido e o tamanho do motor o que proporciona ao motor BLDC uma vasta utilidade, pois pode ser utilizado em aplicações onde o espaço físico disponível é um fator crítico.
1.1. OBJETIVOS
1.1.1. Objetivo Geral
Realizar um estudo prospectivo sobre os fundamentos e aplicações de motores DC sem escovas (BLDC), bem como um estudo comparativo com os motores DC convencionais com escovas.
1.1.2. Objetivos Específicos
Os objetivos específicos deste projeto são:
- Realizar um levantamento detalhado sobre a construção física, componentes, modos de operação e princípios de funcionamento de motores BLDC.
- Realizar um levantamento sobre os modos de controle de um motor BLDC através de sensor Hall e através da força contra-eletromotriz ( sensorless ).
- Apresentar um estudo comparativo entre motor elétrico convencional, com escovas (brushed), e o BLDC.
- Apresentar o panorama de aplicações de BLDC.
2. MOTOR DC CONVENCIONAL (BRUSHED)
2.1. ASPECTOS CONSTRUTIVOS
O motor de corrente contínua [5] (DC) é composto de duas estruturas magnéticas:
- Estator (enrolamento de campo ou ímã permanente);
- Rotor (enrolamento de armadura).
Figura 2 Sistema de Comutação
2.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
A figura 3 mostra, de maneira simplificada, o funcionamento do motor DC de dois pólos.
Figura 3 Princípio de funcionamento do motor DC.
A figura 3 acima é um desenho esquemático simples de um motor onde o estator é constituído por ímãs permanentes e o rotor é uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde circula uma corrente elétrica [5]. Uma vez que as correntes elétricas produzem campos magnéticos, essa bobina se comporta como um ímã permanente, com seus pólos N (norte) e S (sul) como mostrados na figura.
A situação ilustrada em (a) onde a bobina apresenta-se horizontal. Como os pólos opostos se atraem, a bobina experimenta um torque que age no sentido de girar a bobina no sentido anti-horário. A bobina sofre aceleração angular e continua seu giro para a esquerda, como se ilustra em (b).
Esse torque continua até que os pólos da bobina alcancem os pólos opostos dos ímãs fixos (estator) [3]. Nessa situação (c) – a bobina girou de 90º – não há torque algum, uma vez que os braços de alavanca são nulos (a direção das forças passa pelo centro de rotação); o rotor está em equilíbrio estável (força resultante nula e torque resultante nulo). Esse é o instante adequado para inverter o sentido da corrente na bobina. Agora os pólos de mesmo nome estão muito próximos e a força de repulsão é intensa. Devido à inércia do rotor e como a bobina já apresenta um momento angular “para a esquerda”, ela continua girando no sentido anti-horário (semelhante a uma “inércia de rotação”) e o novo torque (agora propiciado por forças de repulsão), como em (d), colabora para a manutenção e aceleração do movimento de rotação [4] [5].
Mesmo após a bobina ter sido girada de 180o, situação não ilustrada na figura, o movimento continua, a bobina chega na “vertical” – giro de 270o^ –, o torque novamente se anula, a corrente novamente inverte seu sentido, há um novo torque e a bobina chega novamente à situação (a) – giro de 360 o. E o ciclo se repete.
Essas atrações e repulsões bem coordenadas é que fazem o rotor girar. A inversão do sentido da corrente (comutação), no momento oportuno, é condição indispensável para a manutenção dos torques ”favoráveis”, os quais garantem o funcionamento dos motores. A comutação consiste na mudança de uma lâmina do comutador, onde as bobinas são ligadas em série, para a próxima. Durante esta comutação a bobina é momentaneamente curto-circuitada pelas escovas, o que ajuda a liberar a energia armazenada, antes de a corrente fluir no sentido oposto [5]. Porém, como essa inversão de corrente não é instantânea, uma força eletromotriz é induzida na espira, o que origina uma corrente de curto-circuito
6
Em sua forma mais simples [5], o comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixadas (isoladamente) no eixo do rotor; os terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas placas. A corrente elétrica “chega” por uma das escovas (+), “entra” pela placa do comutador, “passa” pela bobina do rotor, “sai” pela outra placa do comutador e “retorna” à fonte pela outra escova (-). Nessa etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta. Nessa meia-volta, as placas do comutador trocam seus contatos com as escovas e a corrente inverte seu sentido de percurso na bobina do rotor. E o motor CC continua girando, sempre com o mesmo sentido de rotação [3] [5].
3. MOTOR BLDC: FUNDAMENTOS
3.1. ASPECTOS CONSTRUTIVOS:
O motor dc sem escovas (BLDC) é um tipo de motor síncrono, ou seja, ele recebe energia trifásica no estator e fornece energia mecânica ao eixo [6]. Isto significa que o campo magnético gerado pelo estator e o campo magnético gerado pelo rotor possuem a mesma freqüência, ou seja, giram em sincronia e não é observado o escorregamento normalmente visto em motores a indução.
O motor síncrono AC recebe energia elétrica trifásica no estator e fornece energia mecânica ao eixo. Este tipo de motor apresenta as seguintes características:
- Velocidade constante;
- Velocidade dependente da freqüência da rede;
- Baixa capacidade de arranque.
O BLDC [2] possui o mesmo principio do motor síncrono, porém é um motor dc. O motor síncrono é ligado direto na rede trifásica, já o BLDC é ligado em uma fonte DC e uma eletrônica é responsável por comutar as fases no estator e fazer o motor girar. Falaremos mais sobre este assunto no capitulo 5.
BLDC são construídos com fase simples, 2 fases ou 3 fases. Correspondendo a este tipo de construção, o estator também terá 1, 2 ou 3 fases. Esta conclusão corresponde ao enrolamento do
estator, onde serão gerados os campos magnéticos. Este trabalho será focado nos motores com 3 fases, por serem mais populares e comumente usados.
Figura 5 Motor Brushless desmontado (“da esquerda para direita” rotor, estator e sensor Hall).
3.2. CONSTRUÇÃO DO ESTATOR
O estator do motor BLDC é construído com finas lâminas de aço silício constituídas de sulcos (canais) e dentes. Estas lâminas são empilhadas e formam um conjunto chamado de pacote. Tradicionalmente, o estator do BLDC possui a mesma forma de um motor de indução, embora o enrolamento das bobinas que geram o campo elétrico seja distribuído de forma diferente. A maioria dos motores BLDC possui três enrolamentos de estator ligados de forma similar. Cada um destes enrolamentos é construído com numerosas bobinas de cobre de modo a formarem a bobina do estator. Estas bobinas são colocadas nos canais do estator e são ligadas formando assim o enrolamento do estator. Cada um destes enrolamentos é distribuído por todo o estator e formam os pólos do motor.