ब्रशलेस डीसी मोटर के बुनियादी सिद्धांत और अनुप्रयोग विश्लेषण

लघु द्रव नियंत्रण उद्योग में, ब्रशलेस मोटरें मुख्यधारा के उपकरणों के लिए मुख्य शक्ति स्रोत हैं, जिनमें लघु जल पंप और लघु वैक्यूम पंप शामिल हैं। स्वचालित प्रवाह विनियमन प्राप्त करने के लिए छोटे सोलनॉइड वाल्व मोटर्स के साथ सहयोग करते हैं। हाल ही में, कई उपकरण खरीदारों ने बीएलडीसी प्रदर्शन पर ध्यान केंद्रित किया है; इसलिए, हम इस उच्च दक्षता वाली मोटर के मूल ज्ञान को उजागर करने के लिए एक क्रमबद्ध लोकप्रिय विज्ञान लेख लॉन्च कर रहे हैं।

उच्च दक्षता वाली मोटरों के सिद्धांतों और अनुप्रयोगों को समझना: इलेक्ट्रिक मोटरें आपूर्ति की गई विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करती हैं। विभिन्न प्रकार की विद्युत मोटरों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उनमें से, ब्रशलेस डीसी मोटर्स (बीएलडीसी) अत्यधिक कुशल हैं और उत्कृष्ट नियंत्रणीयता रखते हैं, और कई अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। अन्य प्रकार की मोटरों की तुलना में, बीएलडीसी मोटरों में ऊर्जा-बचत के फायदे हैं।

विद्युत मोटरें विद्युत पारेषण मशीनें हैं।

जब इंजीनियरों को यांत्रिक कार्यों को करने के लिए विद्युत उपकरण डिजाइन करने की चुनौती का सामना करना पड़ता है, तो वे इस बात पर विचार कर सकते हैं कि विद्युत संकेतों को ऊर्जा में कैसे परिवर्तित किया जाता है। इसलिए, एक्चुएटर और मोटर उन उपकरणों में से हैं जो विद्युत संकेतों को गति में परिवर्तित करते हैं। मोटरें विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करती हैं।

सबसे सरल इलेक्ट्रिक मोटर ब्रशलेस डीसी मोटर है। इस प्रकार की मोटर में, एक निश्चित चुंबकीय क्षेत्र के भीतर रखे गए कॉइल के माध्यम से करंट प्रवाहित होता है। करंट कॉइल्स में एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है; इससे कॉइल असेंबली घूमने लगती है क्योंकि प्रत्येक कॉइल को उसके अपने ध्रुव से दूर धकेल दिया जाता है और निश्चित चुंबकीय क्षेत्र के ध्रुव की ओर खींच लिया जाता है। घूर्णन को बनाए रखने के लिए, धारा को लगातार उलटने की आवश्यकता होती है, जिससे कुंडल की ध्रुवता लगातार उलट जाती है, जिसके परिणामस्वरूप कुंडलियाँ विपरीत चुंबकीय क्षेत्र के ध्रुव का "पीछा" करती रहती हैं। कॉइल्स को बिजली की आपूर्ति निश्चित प्रवाहकीय ब्रशों द्वारा की जाती है जो घूर्णन कम्यूटेटर से संपर्क करते हैं; कम्यूटेटर के घूमने से कॉइल के माध्यम से विपरीत दिशा में धारा प्रवाहित होती है। कम्यूटेटर और ब्रश प्रमुख घटक हैं जो ब्रश डीसी मोटर को अन्य मोटरों से अलग करते हैं।

चित्र 1 ब्रश डीसी मोटर के सामान्य सिद्धांत को दर्शाता है।

चित्र 1: ब्रश डीसी मोटर का संचालन।

स्थिर ब्रश घूमने वाले कम्यूटेटर को विद्युत ऊर्जा की आपूर्ति करते हैं। जैसे ही कम्यूटेटर घूमता है, यह कॉइल में प्रवाहित होने वाली धारा की दिशा को लगातार उलट देता है, इस प्रकार कॉइल की ध्रुवीयता को उलट देता है और उन्हें दाईं ओर घुमाता रहता है। कम्यूटेटर घूमता है क्योंकि यह एक रोटर से जुड़ा होता है जिस पर कॉइल लगे होते हैं।

सामान्य मोटर प्रकार

मोटर्स अपने पावर प्रकार (एसी या डीसी) और रोटेशन उत्पन्न करने की विधि में भिन्न होते हैं (चित्रा 2)। नीचे, हम प्रत्येक प्रकार की विशेषताओं और अनुप्रयोगों का संक्षेप में परिचय देते हैं।

चित्र 2: विभिन्न प्रकार की मोटरें

ब्रश्ड डीसी मोटर डिजाइन में सरल, नियंत्रित करने में आसान और डिस्क ट्रे खोलने और बंद करने के लिए व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं। ऑटोमोबाइल में, इनका उपयोग आमतौर पर इलेक्ट्रिक साइड विंडो को पीछे हटाने, विस्तार करने और स्थिति में लाने के लिए किया जाता है। इन मोटरों की कम लागत उन्हें कई अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाती है। हालाँकि, एक कमी यह है कि ब्रश और कम्यूटेटर लगातार संपर्क के कारण अपेक्षाकृत जल्दी खराब हो जाते हैं, जिसके लिए बार-बार प्रतिस्थापन और नियमित रखरखाव की आवश्यकता होती है।

स्टेपर मोटरें दालों द्वारा संचालित होती हैं; प्राप्त प्रत्येक पल्स के लिए, यह एक विशिष्ट कोण (चरणों) से घूमता है। क्योंकि रोटेशन प्रक्रिया पूरी तरह से प्राप्त दालों की संख्या से नियंत्रित होती है, इन मोटरों का व्यापक रूप से स्थिति समायोजन के लिए उपयोग किया जाता है। इनका उपयोग अक्सर फैक्स मशीनों और प्रिंटरों में पेपर फीड प्रक्रिया को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है - क्योंकि ये उपकरण निश्चित चरणों में पेपर फीड करते हैं, और ये चरण पल्स काउंट के साथ आसानी से सहसंबद्ध होते हैं। विराम नियंत्रण लागू करना भी आसान है, क्योंकि पल्स सिग्नल बाधित होने पर मोटर का घूमना तुरंत बंद हो जाता है।

सिंक्रोनस मोटर्स का उपयोग करते समय, रोटेशन को बिजली आपूर्ति वर्तमान की आवृत्ति के साथ सिंक्रनाइज़ किया जाता है। इन मोटरों का उपयोग आमतौर पर माइक्रोवेव ओवन में घूमने वाली ट्रे को चलाने के लिए किया जाता है; मोटर इकाई में रिडक्शन गियर भोजन को गर्म करने के लिए उचित घूर्णी गति प्रदान करते हैं। प्रेरण मोटर, घूर्णी गति आवृत्ति के साथ बदलती रहती है, लेकिन गति अतुल्यकालिक होती है। अतीत में, इन मोटरों का उपयोग आमतौर पर बिजली के पंखों और वाशिंग मशीनों में किया जाता था।

आमतौर पर विभिन्न प्रकार की मोटरों का उपयोग किया जाता है; इस अनुभाग में, हम ब्रशलेस डीसी मोटर्स के फायदे और अनुप्रयोगों को देखेंगे।

बीएलडीसी मोटरें क्यों घूमती हैं?

जैसा कि नाम से पता चलता है, ब्रशलेस डीसी मोटर ब्रश का उपयोग नहीं करते हैं। ब्रश की गई मोटरों में, ब्रश एक कम्यूटेटर के माध्यम से रोटर पर कॉइल्स में करंट स्थानांतरित करते हैं। तो, ब्रशलेस मोटर रोटर कॉइल्स में करंट कैसे स्थानांतरित करती है? कोई नहीं—क्योंकि कॉइल्स रोटर पर स्थित नहीं हैं। रोटर एक स्थायी चुंबक है; कॉइल घूमते नहीं हैं बल्कि स्टेटर से जुड़े होते हैं। चूँकि कुंडलियाँ हिलती नहीं हैं, इसलिए ब्रश और कम्यूटेटर की आवश्यकता नहीं होती है। (चित्र 3 देखें) ब्रश की गई मोटरों में, रोटर पर कॉइल्स द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र को नियंत्रित करके रोटेशन प्राप्त किया जाता है, जबकि स्थिर चुंबक द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र स्थिर रहता है। घूर्णी गति को बदलने के लिए, कॉइल्स में वोल्टेज को बदलना होगा। बीएलडीसी मोटर में, स्थायी चुंबक घूमता है; आसपास के स्थिर कुंडलियों द्वारा उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की दिशा को बदलकर घूर्णन प्राप्त किया जाता है। घूर्णन को नियंत्रित करने के लिए, इन कुंडलियों में प्रवाहित होने वाली धारा के परिमाण और दिशा को समायोजित करने की आवश्यकता होती है।

चित्र 3: बीएलडीसी मोटर।

चूंकि रोटर एक स्थायी चुंबक है, इसलिए इसे करंट की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे ब्रश और कम्यूटेटर की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। स्थिर कॉइल्स में करंट को बाहरी रूप से नियंत्रित किया जाता है।

बीएलडीसी मोटर्स के लाभ

स्टेटर पर तीन कॉइल वाली बीएलडीसी मोटर में इन कॉइल से छह तार (प्रत्येक कॉइल के लिए दो) फैले होंगे। अधिकांश कार्यान्वयन में, इनमें से तीन तार आंतरिक रूप से जुड़े होंगे, शेष तीन मोटर बॉडी से विस्तारित होंगे (पहले वर्णित ब्रश मोटर के दो तारों के विपरीत)। बीएलडीसी मोटर के आवरण के भीतर वायरिंग बिजली आपूर्ति इकाई के सकारात्मक और नकारात्मक टर्मिनलों को जोड़ने की तुलना में अधिक जटिल है; हम इस श्रृंखला के भाग II में इन मोटरों की कार्यप्रणाली की अधिक विस्तार से जांच करेंगे। नीचे, हम बीएलडीसी मोटर्स के फायदों को समझकर निष्कर्ष निकालते हैं।

एक महत्वपूर्ण लाभ दक्षता है, क्योंकि ये मोटरें अधिकतम टॉर्क पर लगातार काम कर सकती हैं। इसके विपरीत, ब्रश की गई मोटरें केवल घूर्णन के कुछ निश्चित बिंदुओं पर ही अधिकतम टॉर्क तक पहुंच सकती हैं। ब्रशलेस मोटर के समान टॉर्क प्रदान करने के लिए, ब्रश वाली मोटरों को बड़े मैग्नेट की आवश्यकता होती है। यही कारण है कि छोटी बीएलडीसी मोटरें भी काफी शक्ति प्रदान कर सकती हैं।

पहले से संबंधित दूसरा प्रमुख लाभ नियंत्रणीयता है। बीएलडीसी मोटर्स को फीडबैक तंत्र के माध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है, जो सटीक रूप से आवश्यक टॉर्क और गति प्रदान करता है। सटीक नियंत्रण, बदले में, ऊर्जा की खपत और गर्मी उत्पादन को कम करता है, और - ऐसे मामलों में जहां मोटर बैटरी चालित है - बैटरी जीवन को बढ़ाता है।

क्योंकि कोई ब्रश नहीं हैं, बीएलडीसी मोटर्स उच्च स्थायित्व और कम विद्युत शोर उत्पन्न करने की पेशकश भी करते हैं। ब्रश की गई मोटरों के साथ, लगातार चलते संपर्क के कारण ब्रश और कम्यूटेटर खराब हो जाते हैं, जिससे संपर्क बिंदुओं पर चिंगारी उत्पन्न होती है। विद्युत शोर, विशेष रूप से, ब्रश के कम्यूटेटर गैप से गुजरने पर आसानी से उत्पन्न होने वाली तेज चिंगारी के परिणामस्वरूप होता है। यही कारण है कि बीएलडीसी मोटर्स को आम तौर पर उन अनुप्रयोगों में बेहतर विकल्प माना जाता है जहां विद्युत शोर से बचा जाना चाहिए।

बीएलडीसी मोटर्स के आदर्श अनुप्रयोग

हमने देखा है कि बीएलडीसी मोटर्स उच्च दक्षता और नियंत्रणीयता प्रदान करते हैं, और उनका परिचालन जीवन लंबा होता है। तो उनके उपयोग क्या हैं? उनकी दक्षता और जीवनकाल के कारण, उनका व्यापक रूप से लगातार संचालन करने वाले उपकरणों में उपयोग किया जाता है। इनका उपयोग लंबे समय से वाशिंग मशीन, एयर कंडीशनर और अन्य उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता रहा है; हाल ही में, वे पंखों में भी दिखाई दिए हैं, जहां उनकी उच्च दक्षता बिजली की खपत को काफी कम कर देती है।

इनका उपयोग वैक्यूम मशीनों को चलाने के लिए भी किया जाता है। एक मामले में, नियंत्रण कार्यक्रम में बदलाव के परिणामस्वरूप गति में नाटकीय उछाल आया - इन मोटरों द्वारा प्रदान की जाने वाली उच्च स्तर की नियंत्रणीयता का एक उदाहरण।

बीएलडीसी मोटर्स का उपयोग हार्ड डिस्क ड्राइव को चलाने के लिए भी किया जाता है; उनका स्थायित्व ड्राइव को विस्तारित अवधि के लिए विश्वसनीय रूप से संचालित करने की अनुमति देता है, जबकि उनकी बिजली दक्षता तेजी से महत्वपूर्ण क्षेत्र में ऊर्जा की खपत को कम करने में मदद करती है।

व्यापक भविष्य के अनुप्रयोगों की ओर

हम उम्मीद कर सकते हैं कि भविष्य में, बीएलडीसी मोटर्स का व्यापक रूप से अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में उपयोग किया जाएगा। उदाहरण के लिए, उनका व्यापक रूप से सेवा रोबोटों को चलाने के लिए उपयोग किया जा सकता है - छोटे रोबोट जो विनिर्माण के बाहर के क्षेत्रों में सेवाएं प्रदान करते हैं। कोई सोच सकता है कि स्टेपर मोटर्स इस प्रकार के अनुप्रयोग के लिए बेहतर अनुकूल हैं, क्योंकि सटीक स्थिति नियंत्रण के लिए दालों का उपयोग किया जा सकता है। हालाँकि, BLDC मोटरें बल को नियंत्रित करने के लिए बेहतर अनुकूल हैं। स्टेपर मोटर्स का उपयोग करते हुए, रोबोट हथियारों जैसी संरचनाओं की स्थिति बनाए रखने के लिए अपेक्षाकृत बड़े और निरंतर प्रवाह की आवश्यकता होती है। बीएलडीसी मोटर्स के साथ, आवश्यक करंट बाहरी बल के समानुपाती होता है, जिसके परिणामस्वरूप अधिक ऊर्जा-कुशल नियंत्रण होता है। बीएलडीसी मोटरें गोल्फ कार्ट और मोबाइल वाहनों में साधारण ब्रश वाली डीसी मोटरों की जगह भी ले सकती हैं। उच्च दक्षता के अलावा, बीएलडीसी मोटर्स अधिक सटीक नियंत्रण प्रदान करते हैं - जो बदले में बैटरी जीवन को और बढ़ा सकते हैं।

बीएलडीसी मोटरें ड्रोन के लिए भी आदर्श हैं। सटीक नियंत्रण प्रदान करने की उनकी क्षमता उन्हें मल्टी-रोटर ड्रोन के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाती है, जो प्रत्येक रोटर की घूर्णन गति को नियंत्रित करके ड्रोन के रवैये के सटीक नियंत्रण की अनुमति देती है।