Brušeni in brezkrtačni motorji: delovanje, izdelava in uporaba

Elektromotorji so postali velik del našega življenja. Najdemo jih v vseh vrstah naprav, od električnih avtomobilov do brezpilotnih letal, robotov in drugih elektronskih naprav. Na splošno je električni motor naprava, ki električno energijo pretvarja v mehansko. Običajno jih imenujejo ravno nasprotje generatorjev, saj delujejo na podobnih principih in jih je teoretično mogoče pretvoriti v generatorje. V bistvu se uporabljajo v situacijah, ko je potrebno rotacijsko gibanje, in najdejo aplikacije v napravah (vibracijski motorji), robotih, medicinski opremi, igračah in še veliko več.

Električne motorje lahko razvrstimo v dve široki kategoriji glede na vrsto vira energije, ki se uporablja zanje: AC motorji in DC motorji. Kot že ime pove, se izmenični motorji generično napajajo z izmeničnimi viri (enofazni ali trifazni) in se večinoma uporabljajo v industrijskih in težkih aplikacijah, kjer je potreben velik navor. Po drugi strani so enosmerni motorji (ki so danes v našem središču pozornosti) običajno manjši in se uporabljajo v aplikacijah, ki temeljijo na baterijah (ali priključenih na enosmerne vire), kjer je v primerjavi z izmeničnimi motorji potrebno bistveno manj dela. Najdejo aplikacije v več napravah, od vsakodnevnih naprav, kot so britje za striženje, do igrač za otroke, robote in brezpilotne zrakoplove.

Zahteva za enosmerne motorje se razlikuje od ene aplikacije do druge, saj lahko ena aplikacija zahteva več navora in zmanjša hitrost, druga pa več hitrosti in zmanjša navor, zato prodajalci na podlagi tega včasih razvrstijo enosmerne motorje. Vendar pa je enosmerne motorje mogoče razvrstiti v tri različne kategorije ali vrste, vključno z;

1. Brušeni enosmerni motor
2. Brezkrtačni enosmerni motorji
3. Servo motorji.

V današnjem članku se bomo osredotočili na brezkrtačne in brušene enosmerne motorje, saj bomo preučevali razlike med njimi po načelih delovanja, konstrukciji, uporabi, prednostih in slabostih. Za tretjo vrsto lahko preberete podroben članek Servo Motor.

Načelo delovanja in konstrukcija

Delovanje vseh motorjev na splošno temelji na dveh načelih ; Amperov zakon in faradayev zakon. V prvi zakon določa, da bo električni prevodnik nahaja v magnetnem polju doživeli sila, če ima katera koli tok, ki teče skozi vodnika komponento pravokotno na tem področju. V drugi načelo določa, da če je dirigent premakne skozi magnetno polje, nato pa katerikoli del gibanja pravokotno na tem področju bodo ustvarila potencialno razliko med koncema vodnika.

Na podlagi teh zakonov so električni motorji sestavljeni iz dveh glavnih delov; Stalni magnet in kup vodnikov, navitih v tuljavo. Z uporabo električne energije na tuljavo postane magnet in na podlagi dejstva, da se magneti odbijajo na podobnih polih in privlačijo na drugačnih polih, dosežemo rotacijsko gibanje.

Brušeni enosmerni motor

Znano je, da je brušeni enosmerni motor eden najzgodnejših in najpreprostejših motorjev, saj na najpreprostejši način izvaja zgoraj opisane zakone. Kot je opisano na sliki spodaj, konstrukcija brušenega enosmernega motorja obsega fiksni stator iz trajnega magneta in gibljivo armaturo (rotor), na kateri so okoli motorja nameščeni deli, kot so komutator, ščetke in deljeni obroč. gred.

Ko se motor napaja z energijo (prek akumulatorja ali z izmeničnim in enosmernim tokom, ki je priključen na vir), električna energija teče od vira do armature skozi ščetke, ki so običajno nameščene na nasprotnih straneh gredi motorjev. Ščetke (katerih prisotnost v zasnovi je glavni dejavnik imena motorja) prenašajo električni tok na armaturo s fizičnim stikom s komutatorjem. Takoj, ko je armatura (žična tuljava) pod napetostjo, se začne obnašati kot magnet in na tej točki njeni polovi začnejo odbijati polove trajnega magneta, ki tvori stator. Ko se palice odbijajo, se gred motorja, na katero je pritrjena armatura, začne vrteti s hitrostjo in navorom, ki sta odvisna od jakosti magnetnega polja okoli armature.

Jakost magnetnega polja je običajno odvisna od napetosti, ki deluje na krtače, in od jakosti trajnega magneta, ki se uporablja za stator.

Brezkrtačni enosmerni motorji

Čeprav uporabljajo isti princip elektromagnetizma, so brezkrtačni motorji na drugi strani bolj zapleteni. So neposreden rezultat prizadevanj za izboljšanje učinkovitosti brušenih enosmernih motorjev in jih lahko preprosto opišemo kot motorje, ki ne uporabljajo ščetk za komutacijo. Poenostavljena narava tega opisa pa daje pot vprašanjem o tem, kako se motor poganja in kako doseže gibanje brez ščetk, kar bom poskušal razložiti.

V nasprotju s konstrukcijo krtačenih motorjev se pri brezkrtačnih motorjih stvari premikajo. Armatura, ki se pri brušenem motorju vrti znotraj statorja, je v brezkrtačnih motorjih mirujoča, trajni magnet, ki je v krtačenih motorjih pritrjen, pa služi kot rotor v brezkrtačnem motorju. Preprosto povedano, stator za brezkrtačne enosmerne motorje je sestavljen iz tuljav, njegov rotor (na katerega je pritrjena gred motorja) pa je sestavljen iz trajnega magneta.

Ker brezkrtačni motor odpravlja uporabo ščetk za napajanje armature, preklapljanje (komutacija) postane bolj zapleteno in se izvaja elektronsko z uporabo dodatnega nabora elektronskih komponent (kot ojačevalnik, ki ga sproži komutirajoča komponenta, kot je optični dajalnik), da se doseže gibanje. Komutacijske algoritme za brezkrtačne enosmerne motorje lahko razdelimo na dva; Senzorna in nesmiselna komutacija.

Pri komutaciji, ki temelji na senzorjih, so senzorji (npr. Hallov senzor) nameščeni vzdolž polov motorja, da zagotovijo povratne informacije krmilnemu vezju, ki mu pomagajo oceniti položaj rotorja. Za komutacijo na osnovi senzorjev so uporabljeni trije priljubljeni algoritmi;

1. Trapezna komutacija
2. Sinusoidna komutacija
3. Vektorski (ali terensko usmerjen) nadzor.

Vsak od teh nadzornih algoritmov ima svoje prednosti in slabosti, algoritme pa lahko izvedemo na različne načine, odvisno od programske opreme in zasnove elektronske strojne opreme, da naredimo potrebne spremembe.

Pri komutaciji brez senzorja pa je krmilno vezje namesto da bi senzorje postavili v motorje, zasnovano za merjenje zadnjega EMF za oceno položaja rotorja.

Ta algoritem deluje precej dobro in ima znižane stroške, saj se odpravijo stroški dvoranskih senzorjev, vendar je njegova izvedba v primerjavi z algoritmi, ki temeljijo na senzorjih, veliko bolj zapletena.

Prednosti in slabosti

Pri krtačenih enosmernih motorjih so ščetke v stalnem stiku z vrtljivim komutatorjem. To povzroča precejšnje trenje, to pa izgublja toplotno energijo in postopno obrabljanje ščetk. Tako imajo brušeni enosmerni motorji nizko učinkovitost in zahtevajo redno vzdrževanje. To ustvarja veliko trenja, trenje pa je enako toploti (izguba energije) in obrabi. Po drugi strani so brezkrtačni enosmerni tok v bistvu brez trenja in imajo tako resnično visoko učinkovitost, zahtevajo nič vzdrževanja in trajajo dlje kot krtačeni enosmerni motorji.

Vendar pa so krtačeni enosmerni motorji zaradi preproste zasnove zelo poceni v primerjavi s svojimi brezkrtačnimi kolegi. Po drugi strani so brezkrtačni enosmerni motorji zaradi svoje zapletene zasnove in dodatnih stroškov dodatnih elektronskih komponent (krmilnikov), ki so potrebni za njihovo vožnjo, precej dragi.

Aplikacije

Medtem ko so brezkrtačni enosmerni motorji danes bolj priljubljeni, se enosmerni enosmerni motorji še vedno uporabljajo v vsakodnevnih gospodinjskih aparatih, otroških igračah in v industrijskih aplikacijah zaradi enostavnosti spreminjanja razmerja med njihovo hitrostjo in navorom. Zaradi nizke cene se uporabljajo v aplikacijah, kjer lahko gostiteljska naprava odpove pred motorji.

Po drugi strani so brezkrtačni enosmerni motorji našli uporabo v vseh vrstah naprav, od medicinske opreme, robotov in dronov do električnih avtomobilov, električnih orodij itd. V bistvu se uporabljajo v aplikacijah, ki zahtevajo visoko učinkovitost, dolgo življenjsko dobo in so vredne stroškov.

Dejavniki, ki jih je treba upoštevati pri izbiri med brezkrtačnimi in brušenimi enosmernimi motorji

Poleg hitrosti, navora, nazivne moči in drugih osnovnih zahtev za vašo aplikacijo spodaj so navedeni trije dejavniki, za katere menim, da bi jih bilo dobro upoštevati tudi pri odločanju o vrsti motorja, ki se bo uporabil za vašo aplikacijo.

1. Delovni cikel / življenjska doba
2. Učinkovitost
3. Krmiljenje / aktiviranje
4. Stroški

Delovni cikel / življenjska doba

Življenjska doba opisuje, kako dolgo mora motor delovati pred okvaro in pri katerem delovnem ciklu. To je pomembno, ker so krtačeni enosmerni motorji, kot smo že omenili, občutljivi na obrabo zaradi trenja med ščetkami in komutatorjem. Zato je pomembno zagotoviti, da je aplikacija tista, pri kateri bo motor deloval skozi celotno življenjsko dobo, ali aplikacija, pri kateri bo servisiranje motorja normalno in poceni, če se bodo uporabljali krtačeni enosmerni motorji. Dober primer tega so otroške igrače, kjer igrače običajno zavržemo ali poškodujemo, preden se motor izrabi. V aplikacijah z dolgo življenjsko dobo in servisiranje motorja ni izvedljivo, so brezskrbni enosmerni motorji običajno modra možnost.

Učinkovitost

Na splošno imajo brezkrtačni enosmerni motorji večjo splošno učinkovitost v primerjavi z enosmernimi enosmernimi motorji, vendar so bili primeri brezkrtačnih jedrnih motorjev z vrhunsko učinkovitostjo v primerjavi z enakovrednimi brezkrtačnimi motorji. Vendar je pomembno, da pred odločitvijo ocenite splošno potrebno učinkovitost in jo primerjate z učinkovitostjo vsakega motorja. V večini primerov, kjer je odločilen izkoristek, enosmerni motorji brez ščetk običajno zmagajo.

Krmiljenje / aktiviranje

To je ponavadi ena večjih ovir pri uporabi brezkrtačnih enosmernih motorjev. Dodatne zahteve, kot so krmilniki itd., Naredijo sprožitev bolj zapleteno v primerjavi s krtačenimi enosmernimi motorji, ki bi jih lahko napajali / sprožali tako trivialne metode, kot je povezovanje akumulatorja preko njegovih sponk. Zagotoviti morate, da je zapletenost uporabe brezkrtačnega enosmernega motorja za projekt upravičena in je podporna elektronika, kot so krmilniki, na voljo. Ne glede na enostavnost brušenih enosmernih motorjev včasih niso primerni za visoko natančne aplikacije. Medtem ko je krtačeni enosmerni motor mogoče enostavno priključiti na krmilnik, kot je Arduino, je zelo zapleteno povezati BLDC z Arduino Uno, vendar ESC (elektronski regulator hitrosti) olajša povezavo BLDC z mikrokrmilnikom.

Stroški

Kompleksna zasnova brezkrtačnih enosmernih motorjev jih v primerjavi z enosmernimi motorji s krtačenjem resnično drage. Preden se odločite za brezkrtačne enosmerne motorje, se prepričajte, da so dodatni stroški znotraj cenovno dostopnih meja. Pred odločitvijo upoštevajte tudi stroške druge dodatne opreme, potrebne za uporabo BLDC-jev.