Kartáčované vs bezkomutátorové motory: prevádzka, konštrukcia a aplikácie

Elektromotory sa stali obrovskou súčasťou nášho života. Nachádzajú sa v najrôznejších zariadeniach od elektrických automobilov až po drony, roboty a ďalšie elektronické zariadenia. Všeobecne je elektrický motor zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na mechanickú. Zvyčajne sa o nich hovorí ako o presnom opaku generátorov, ktoré pracujú na podobných princípoch a dajú sa teoreticky previesť na generátory. V zásade sa používajú v situáciách, keď je potrebný rotačný pohyb, a nachádzajú uplatnenie v zariadeniach (vibračné motory), robotoch, zdravotníckych zariadeniach, hračkách a oveľa viac.

Elektromotory možno rozdeliť do dvoch širokých kategórií podľa druhu použitého zdroja energie: trojfázové motory a jednosmerné motory. Ako už z názvu vyplýva, trojfázové motory sú napájané všeobecne pomocou striedavých zdrojov energie (jednofázové alebo trojfázové) a väčšinou sa používajú v priemyselných a ťažkých prevádzkach, kde sa vyžaduje vysoký krútiaci moment. Na druhej strane jednosmerné motory (na ktoré sa v súčasnosti zameriavame) sú zvyčajne menšie a používajú sa v aplikáciách založených na batériách (alebo v zásuvkách s jednosmerným prúdom), kde je v porovnaní s trojfázovými motormi potrebné podstatne menšie množstvo práce. Nachádzajú aplikácie v niekoľkých zariadeniach, od bežných zariadení, ako sú napríklad strojčeky na holenie, hračky pre deti, roboty a drony.

Požiadavky na jednosmerné motory sa líšia od jednej aplikácie k druhej, pretože jedna aplikácia môže vyžadovať väčší krútiaci moment a znižovať otáčky, zatiaľ čo iná môže vyžadovať väčšie otáčky a znížený krútiaci moment, preto sú jednosmerné motory niekedy na základe toho klasifikovaní predajcami. Avšak, DC motory je možné rozdeliť do troch rôznych skupín alebo druhov, vrátane;

Kartáčovaný jednosmerný motor
Bezkartáčové jednosmerné motory
Servomotory.

V dnešnom článku sa budeme zameriavať na jednosmerné a jednosmerné motory s jednosmerným prúdom, pretože skúmame ich rozdiel v duchu princípov činnosti, konštrukcie, aplikácií, výhod a nevýhod. Pokiaľ ide o tretí typ, môžete si prejsť podrobný článok o servomotore.

Princíp činnosti a konštrukcia

Činnosť všetkých motorov je všeobecne založená na dvoch princípoch, ktoré sú ; Amperský zákon a Faradayov zákon. Na prvý zákon uvádza, že sa elektrický vodič umiestnený v magnetickom poli zažiť silu prípadné prúd pretekajúci vodičom má zložku v pravom uhle k tejto oblasti. Na druhý princíp uvádza, že v prípade, že vodič sa pohybuje v magnetickom poli, potom každý zložka pohybu kolmo k tejto oblasti vytvorí potenciálny rozdiel medzi konci vodiče.

Na základe týchto zákonov sa elektrické motory skladajú z dvoch hlavných častí; Permanentný magnet a zväzok vodičov navinutých do cievky. Aplikáciou elektriny na cievku sa stáva magnetom a na základe skutočnosti, že magnety odpudzujú na rovnakých póloch a priťahujú na rozdiel od pólov, sa dosahuje rotačný pohyb.

Kartáčovaný jednosmerný motor

Je známe, že kartáčovaný jednosmerný motor je jedným z prvých a najjednoduchších motorov, pretože implementuje vyššie opísané zákony najjednoduchším spôsobom. Ako je popísané na obrázku nižšie, konštrukcia kartáčovaného jednosmerného motora pozostáva z pevného statora vyrobeného z permanentného magnetu a pohyblivej kotvy (Rotor), na ktorej sú okolo motora umiestnené všetky komponenty, ako je komutátor, kefy a delený krúžok. šachta.

Keď je do motora dodávaná energia (cez batériu alebo cez sieťový zdroj so striedavým prúdom), elektrina prúdi zo zdroja do kotvy cez kefy, ktoré sú zvyčajne umiestnené na opačných stranách hriadeľa motora. Kefy (ktorých prítomnosť v dizajne je hlavným faktorom za menom motora) prenášajú elektrický prúd do kotvy fyzickým kontaktom s komutátorom. Len čo je kotva (cievka z drôtu) pod napätím, začne sa správať ako magnet a v tom okamihu začnú jej póly odpudzovať póly permanentného magnetu, ktorý tvorí stator. Keď sa póly odpudzujú, hriadeľ motora, ku ktorému je kotva pripevnená, sa začne otáčať rýchlosťou a krútiacim momentom, ktoré závisia od sily magnetického poľa okolo kotvy.

Sila magnetického poľa je zvyčajne funkciou napätia privedeného na kefy a sily permanentného magnetu použitého pre stator.

Bezkartáčové jednosmerné motory

Na druhej strane, bezkartáčové motory, ktoré používajú rovnaký princíp elektromagnetizmu, sú zložitejšie. Sú priamym výsledkom úsilia vynaloženého na zlepšenie účinnosti brúsených jednosmerných motorov a možno ich jednoducho označiť ako motory, ktoré na komutáciu nepoužívajú kefy. Zjednodušujúca povaha tohto opisu však dáva priestor otázkam, ako je motor napájaný a ako sa dosahuje pohyb bez kefiek, ktoré sa pokúsim vysvetliť.

Na rozdiel od konštrukcie kartáčovaných motorov sa v bezkefkových motoroch veci preklápajú. Kotva, ktorá sa v prípade kartáčovaného motora otáča vo vnútri statora, je stacionárna v bezkartáčových motoroch a permanentný magnet, ktorý je v kiefových motoroch upevnený, slúži ako rotor v bezkartáčovom motore. Zjednodušene povedané, stator pre jednosmerné motory s jednosmerným prúdom je tvorený cievkami, zatiaľ čo jeho rotor (ku ktorému je pripojený hriadeľ motora) tvorí permanentný magnet.

Pretože bezkartáčový motor vylučuje použitie kefiek na napájanie kotvy, prepínanie (komutácia) sa stáva zložitejším a vykonáva sa elektronicky pomocou dodatočnej sady elektronických súčiastok (napríklad zosilňovača spúšťaného komutačnou súčasťou ako je optický kódovač) na dosiahnutie pohybu. Komutačné algoritmy pre jednosmerné motory s jednosmerným prúdom možno rozdeliť na dva; Nezmyselná komutácia založená na senzoroch.

Pri komutácii založenej na snímačoch sú snímače (napr. Hallov snímač) umiestnené pozdĺž pólov motora, aby poskytovali spätnú väzbu riadiacim obvodom, ktoré jej pomáhajú odhadnúť polohu rotora. Pre komutáciu na základe senzorov sa používajú tri populárne algoritmy;

Trapézová komutácia
Sínusová komutácia
Vektorové (alebo orientované na pole) riadenie.

Každý z týchto riadiacich algoritmov má svoje klady a zápory a algoritmy je možné implementovať rôznymi spôsobmi v závislosti od softvéru a dizajnu elektronického hardvéru, aby bolo možné vykonať potrebné zmeny.

Na druhej strane pri komutácii bez snímačov je namiesto umiestnenia snímačov v motoroch riadiaci obvod navrhnutý na meranie spätného EMF na odhad polohy rotora.

Tento algoritmus funguje veľmi dobre a je za zníženú cenu, pretože sú eliminované náklady na Hallove snímače, ale jeho implementácia je v porovnaní s algoritmami založenými na snímačoch oveľa zložitejšia.

Výhoda a nevýhody

V jednosmerných motoroch s kefami sú kefy v neustálom kontakte s rotujúcim komutátorom. To vedie k značnému množstvu trenia a to zase k strate energie na teplo a postupnému opotrebovaniu kefiek. Brúsené jednosmerné motory majú teda nízku účinnosť a vyžadujú pravidelnú údržbu. To vytvára veľké trenie a trenie sa rovná teplu (strata energie) a opotrebovaniu. Bezkartáčové jednosmerné motory sú na druhej strane v podstate bez trenia a preto majú skutočne vysokú účinnosť, vyžadujú nulovú údržbu a vydržia dlhšie ako jednosmerné motory s kartáčmi.

Avšak, kartáčované DC motory sú veľmi lacné v porovnaní s ich kolegami striedavých vďaka jednoduchému povahou ich konštrukcie. Bezkartáčové jednosmerné motory sú na druhej strane dosť drahé kvôli ich zložitej konštrukcii a mimoriadnym nákladom na ďalšie komponenty elektroniky (ovládače) potrebné na ich pohon.

Aplikácie

Aj keď sú v dnešnej dobe populárnejšie jednosmerné motory s jednosmerným prúdom, jednosmerné motory s jednosmerným prúdom sa stále používajú v každodenných domácich spotrebičoch, detských hračkách a v priemyselných aplikáciách kvôli ľahkosti, s akou sa dá meniť ich pomer otáčok a krútiaceho momentu. Kvôli ich nízkym nákladom sa používajú v aplikáciách, kde by hostiteľské zariadenie mohlo zlyhať skôr ako motory.

Bezkartáčové jednosmerné motory si na druhej strane našli uplatnenie vo všetkých druhoch prístrojov, od zdravotníckych prístrojov, robotov a dronov až po elektromobily, elektrické náradie atď. Používajú sa hlavne v aplikáciách, ktoré vyžadujú vysokú účinnosť, životnosť a stojí za cenu.

Faktory, ktoré treba brať do úvahy pri výbere medzi jednosmernými a jednosmernými motormi s jednosmerným prúdom

Okrem rýchlosti, krútiaceho momentu, výkonu a ďalších základných požiadaviek pre vašu aplikáciu uvádzaných nižšie sú uvedené tri faktory, ktoré by podľa mňa mohli byť dobré vziať do úvahy pri rozhodovaní o type motora, ktorý sa má pre vašu aplikáciu nasadiť.

Pracovný cyklus / životnosť
Účinnosť
Ovládanie / ovládanie
Náklady

Pracovný cyklus / životnosť

Životnosť popisuje, ako dlho je motor potrebný na prevádzku pred zlyhaním a v akom cykle. To je dôležité, pretože kartáčovaný jednosmerný motor, ako už bolo spomenuté vyššie, je náchylný na opotrebenie v dôsledku trenia medzi kefami a komutátorom. Preto je dôležité zabezpečiť, aby sa jednalo o aplikáciu, v ktorej bude motor funkčný po celú dobu životnosti, alebo o aplikáciu, pri ktorej sa bude údržba motora považovať za normálnu a lacnú, ak sa majú použiť kartáčované jednosmerné motory. Dobrým príkladom sú detské hračky, kde sa hračky zvyčajne vyhodia alebo poškodia skôr, ako sa motor opotrebuje. V aplikáciách s dlhou životnosťou a údržbou nie je životaschopná voľba motora, múdrou voľbou sú zvyčajne jednosmerné motory bez kefy.

Účinnosť

Všeobecne platí, že striedavý jednosmerné motory majú vyššiu celkovú účinnosť v porovnaní s jednosmernými jednosmerné motory, ale tam boli prípady železa menej jadrových jednosmernými motormi s vynikajúcou účinnosťou v porovnaní s ekvivalentnou bezkefkové motormi. Pred rozhodnutím je však dôležité vyhodnotiť celkovú požadovanú účinnosť a porovnať ju s účinnosťou každého motora. Vo väčšine prípadov, keď je rozhodujúcim faktorom účinnosť, obvykle zvíťazia jednosmerné motory s jednosmerným prúdom.

Ovládanie / ovládanie

Toto je zvyčajne jeden z hlavných neúspechov, pokiaľ ide o použitie bezkartáčových jednosmerných motorov. Vďaka ďalším požiadavkám, ako sú ovládače atď., Je ovládanie zložitejšie v porovnaní s ovládaním kartáčovaných jednosmerných motorov, ktoré by mohli byť napájané / ovládané spôsobmi tak triviálnymi, ako je pripojenie batérie cez jeho svorky. Mali by ste sa ubezpečiť, že je zložitosť použitia jednosmerného jednosmerného motora pre daný projekt oprávnená a podporná elektronika, ako sú ovládače, je ľahko dostupná. Bez ohľadu na jednoduchosť kartáčovaných jednosmerných motorov niekedy nie sú vhodné pre vysoko presné aplikácie. Zatiaľ čo kartáčovaný jednosmerný motor je možné ľahko pripojiť k radiču ako Arduino, je oveľa zložitejšie pripojiť BLDC s Arduino Uno, avšak ESC (Electronic Speed Controller)) uľahčuje prepojenie BLDC s mikrokontrolérom.

Náklady

Zložitosť konštrukcie bezkartáčových jednosmerných motorov ich robí skutočne nákladnými v porovnaní s jednosmernými jednosmernými motormi. Pred prechodom na jednosmerné motory s jednosmerným prúdom sa uistite, že sú dodatočné náklady v prijateľných medziach projektu. Pred rozhodnutím tiež zvážte náklady na ďalšie príslušenstvo potrebné na používanie BLDC.