Csiszolt és kefe nélküli motorok: üzemeltetés, felépítés és alkalmazások

Az elektromos motorok az életünk hatalmas részévé váltak. Az elektromos autóktól kezdve a drónokig, robotokig és más elektronikai eszközökig mindenféle eszköz megtalálható. Általánosságban elmondható, hogy az elektromos motor olyan eszköz, amely az elektromos energiát mechanikai energiává alakítja. Általában a generátorok pont ellentétének nevezik őket, mivel hasonló elveken működnek, és elméletileg generátorokká alakíthatók. Lényegében olyan helyzetekben használják, ahol forgó mozgásra van szükség, és alkalmazást találnak készülékekben (vibrációs motorok), robotokban, orvosi berendezésekben, játékokban és még sok másban.

Az elektromos motorokat két tág kategóriába lehet sorolni a számukra használt áramforrás típusa szerint: váltóáramú motorok és egyenáramú motorok. Ahogy a neve is mutatja, a váltakozó áramú motorokat általában váltakozó áramú áramforrások (egyfázisú vagy háromfázisú) hajtják, és többnyire ipari és nagy igénybevételű alkalmazásokban használják, ahol nagy a nyomaték. Az egyenáramú motorok (amelyekre ma fókuszálunk) viszont általában kisebbek, és akkumulátoros (vagy egyenáramú áramforrásokba kapcsolt) alapú alkalmazásokban használják, ahol a váltakozó áramú motorokhoz képest lényegesen kevesebb munkára van szükség. Számos eszközben találnak alkalmazást, a mindennapi eszközöktől kezdve, például a borotválkozó ollón át a gyerekeknek szóló játékokig, robotokig és drónokig.

Az egyenáramú motorokra vonatkozó követelmények alkalmazásonként eltérnek, mivel az egyik alkalmazás nagyobb nyomatékot igényel és csökkentheti a fordulatszámot, míg egy másik nagyobb fordulatszámot és csökkentett nyomatékot igényelhet, így az egyenáramú motorokat néha ez alapján osztályozzák az értékesítők. Az egyenáramú motorok azonban három különböző kategóriába vagy típusba sorolhatók, ideértve:

1. Csiszolt egyenáramú motor
2. Kefe nélküli egyenáramú motorok
3. Servo Motors.

A mai cikkünkben a kefe nélküli és a csiszolt egyenáramú motorokra helyezzük a hangsúlyt, mivel a működésük, az építés, az alkalmazások, az előnyök és hátrányok mentén vizsgáljuk a különbséget közöttük. A harmadik típusnál áttekintheti a Servo Motor részletes cikkét.

Működési elv és felépítés

Az összes motor működése általában két alapelven nyugszik : Amperes törvény és Faraday törvénye. Az első törvény kimondja, hogy a mágneses térben elhelyezett elektromos vezető erőt fog tapasztalni, ha a vezetőn átáramló bármely áramnak van egy része, amely derékszöget zár be az adott mezőhöz. A második elv kimondja, hogy ha egy vezetőt egy mágneses mezőn keresztül mozgatnak, akkor az arra a mezőre merőleges bármely mozgáskomponens potenciálkülönbséget generál a vezető végei között.

Ezen törvények alapján az elektromos motorok két fő részből állnak; Egy állandó mágnes és egy csomó vezető tekercsbe tekeredik. Ha a tekercsre villamos energiát alkalmazunk, mágnessé válik, és azon a tényen alapulva, hogy a mágnesek hasonló pólusokon taszítanak és a pólusoktól eltérően vonzanak, forgási mozgás érhető el.

Csiszolt egyenáramú motor

A csiszolt egyenáramú motor köztudottan az egyik legkorábbi és legegyszerűbb motor, mivel a fent leírt törvényeket a legegyszerűbb módon hajtja végre. Az alábbi képen leírtak szerint a szálcsiszolt egyenáramú motor felépítése állandó mágnesből álló rögzített állórészből és mozgó armatúrából (rotor) áll, amelyen az alkatrészek, például a kommutátor, a kefék és a hasítógyűrű a motor körül helyezkednek el tengely.

Ha a motort energiával látják el (akkumulátoron keresztül, vagy a váltakozó áramú DC-csatlakozón keresztül), az áram a forrásból az armatúrába áramlik a keféken keresztül, amelyek általában a motor tengelyének ellentétes oldalán helyezkednek el. A kefék (amelyek jelenléte a kivitelben a motor nevének fő tényezője) az elektromos áramot a kommutátorral való fizikai érintkezés útján továbbítják az armatúrába. Amint az armatúra (a huzaltekercs) feszültség alá kerül, mágnesként kezd viselkedni, és ekkor pólusai elkezdik taszítani az állórészt alkotó állandó mágnes pólusait. Amint a pólusok taszítanak, a motor tengelye, amelyhez az armatúra csatlakozik, olyan sebességgel és forgatónyomatékkal kezd forogni, amely az armatúra körüli mágneses tér erősségétől függ.

A mágneses tér erőssége általában a keféknél alkalmazott feszültség és az állórészhez használt állandó mágnes erősségének függvénye.

Kefe nélküli egyenáramú motorok

Annak ellenére, hogy ugyanazt az elektromágnesesség elvét alkalmazzák, a kefe nélküli motorok viszont összetettebbek. Ezek közvetlenül a csiszolt egyenáramú motorok hatékonyságának javítására tett erőfeszítésekből származnak, és egyszerűen olyan motoroknak nevezhetők, amelyek nem alkalmazzák a keféket kommutációra. A leírás leegyszerűsített jellege azonban kérdéseket ad arra vonatkozóan, hogy a motor hogyan működik és hogyan érhető el a mozgás kefék nélkül, amelyeket megpróbálok elmagyarázni.

A kefe nélküli motorok felépítésével ellentétben a kefe nélküli motorokban a dolgok megfordulnak. Az armatúra, amely a szálcsiszolt motor esetében az állórészen belül forog, áll a kefe nélküli motorokban, és az állandó mágnes, amely a szálcsiszolt motorokban rögzített, egy kefe nélküli motor rotorként szolgál. Egyszerűen fogalmazva: a kefe nélküli egyenáramú motorok állórésze tekercsekből áll, míg a rotorja (amelyhez a motor tengelye csatlakozik) egy állandó mágnes.

Mivel a kefe nélküli motor kiküszöböli a kefék használatát az armatúra áramellátásához, a kapcsolás (kommutálás) bonyolultabbá válik, és elektronikusan történik további elektronikus alkatrészek (például egy kommutáló alkatrész, például egy optikai kódoló által kiváltott erősítő) segítségével a mozgás elérése érdekében. A kefe nélküli egyenáramú motorok kommutációs algoritmusai két részre oszthatók; Szenzor alapú és értelmetlen kommutáció.

Szenzor alapú kommutáció esetén az érzékelőket (pl. Hall érzékelő) a motor pólusai mentén helyezik el, hogy visszajelzést adjanak a vezérlő áramkörhöz, hogy segítsen megbecsülni a rotor helyzetét. Három népszerű algoritmust alkalmaznak az érzékelő-alapú kommutációra;

1. Trapéz alakú kommutáció
2. Szinuszos kommutáció
3. Vektor (vagy mezőorientált) vezérlés.

Ezen vezérlő algoritmusok mindegyikének megvannak az előnyei és hátrányai, és az algoritmusok a szoftver változtatásaitól és az elektronikai hardver kialakításától függően különböző módon valósíthatók meg a szükséges változtatások érdekében.

Szenzor nélküli kommutáció esetén viszont a motorokba helyezett érzékelők helyett a vezérlő áramkört úgy tervezték, hogy megmérje a hátsó EMF-et a rotor helyzetének becsléséhez.

Ez az algoritmus elég jól teljesít, és alacsonyabb költségekkel jár, mivel a hall-érzékelők költségei kiküszöbölhetők, de megvalósítása sokkal bonyolultabb az érzékelő-alapú algoritmusokhoz képest.

Előny és hátrányok

Csiszolt egyenáramú motorokban a kefék állandó kapcsolatban vannak a forgó kommutátorral. Ez jelentős mennyiségű súrlódáshoz vezet, ami viszont hőveszteséghez és a kefék fokozatos kopásához vezet. Így a csiszolt egyenáramú motorok alacsony hatékonyságúak és időszakos karbantartást igényelnek. Ez nagy súrlódást eredményez, és a súrlódás egyenlő a hővel (energiaveszteséggel) és a kopással. A kefe nélküli egyenáram viszont lényegében súrlódásmentes, így valóban nagy hatékonyságú, nulla karbantartást igényel és hosszabb ideig tart, mint a csiszolt egyenáramú motorok.

A szálcsiszolt egyenáramú motorok azonban a tervezésük egyszerű jellege miatt nagyon olcsók kefe nélküli társaikhoz képest. A kefe nélküli egyenáramú motorok viszont meglehetősen drágák összetett felépítésük és a meghajtásukhoz szükséges további elektronikai alkatrészek (vezérlők) extra költségei miatt.

Alkalmazások

Míg manapság a kefe nélküli egyenáramú motorok népszerűbbek, a csiszolt egyenáramú motorokat a mindennapi háztartási készülékekben, a gyerekjátékokban és az ipari alkalmazásokban továbbra is használják, mivel a sebesség / nyomaték arányuk könnyen változtatható. Alacsony költségük miatt olyan alkalmazásokban használják, ahol a gazdaeszköz meghibásodhat a motorok előtt.

A kefe nélküli egyenáramú motorok viszont mindenféle eszközön megtalálhatók, az orvosi felszerelésektől, robotoktól és drónoktól kezdve az elektromos autókig, elektromos szerszámokig stb. Ezeket alapvetően olyan alkalmazásokban használják, amelyek nagy hatékonyságot, hosszú élettartamot igényelnek, és megéri a költségeiket.

A kefe nélküli és a kefés DC motorok közötti választásnál figyelembe veendő tényezők

Az alábbi három tényező mellett a fordulatszám, a nyomaték, a teljesítménynév és az alkalmazás alapvető követelményei mellett három olyan tényező, amelyet úgy gondolok, hogy érdemes figyelembe venni az alkalmazáshoz telepítendő motor típusának meghozatalakor.

1. Üzemidő / élettartam
2. Hatékonyság
3. Vezérlés / működtetés
4. Költség

Üzemidő / élettartam

Az élettartam leírja, hogy mennyi ideig kell működnie a motornak a meghibásodás előtt és milyen üzemi ciklus mellett. Ez azért fontos, mert a korábban említett csiszolt egyenáramú motor hajlamos kopásra a kefék és a kommutátor közötti súrlódás miatt. Ezért fontos annak biztosítása, hogy az alkalmazás a motor teljes élettartama alatt működőképes legyen, vagy olyan alkalmazás, amelyben a motor szervizelése normálisnak és olcsónak tekinthető, ha szálcsiszolt egyenáramú motorokat használnak. Jó példa erre a gyermekjátékok, ahol a játékokat általában a motor elhasználódása előtt kidobják vagy megrongálják. Hosszú élettartamú alkalmazásokban és a motor szervizelése nem életképes megoldás, a kefe nélküli egyenáramú motorok általában a bölcsek.

Hatékonyság

Általában a kefe nélküli egyenáramú motorok összhatékonysága nagyobb, mint a szálcsiszolt egyenáramú motoroké, de előfordult, hogy vas nélküli magos kefés motorok nagyobb hatékonysággal rendelkeznek, mint az egyenértékű kefe nélküli motorok. Fontos azonban a döntés meghozatala előtt értékelni az általános szükséges hatékonyságot, és összehasonlítani az egyes motorok teljesítményével. A legtöbb esetben, amikor a hatékonyság a döntő, a kefe nélküli egyenáramú motorok általában nyernek.

Vezérlés / működtetés

Ez általában a kefe nélküli egyenáramú motorok használatának egyik fő hátránya. A további követelmények, mint például a vezérlők stb., Bonyolultabbá teszik a működtetést a csiszolt egyenáramú motorokéhoz képest, amelyek meghajtású / működtethető módszerek ugyanolyan csekélyek, mint az akkumulátor csatlakozása a kapcsai felett. Gondoskodnia kell arról, hogy a kefe nélküli egyenáramú motor használata a projektben mennyire bonyolult, és a támogató elektronika, mint például a vezérlők, könnyen elérhetőek. A csiszolt egyenáramú motorok egyszerűségétől függetlenül néha nem alkalmasak nagy pontosságú alkalmazásokra. Míg a csiszolt egyenáramú motor könnyen csatlakoztatható a vezérlőhöz, mint az Arduino, a BLDC csatlakoztatása az Arduino Uno-hoz nagyon bonyolult, azonban az ESC (elektronikus sebességszabályozó)) megkönnyíti a BLDC és a mikrovezérlő összekapcsolását.

Költség

A kefe nélküli egyenáramú motorok tervezésének bonyolultsága miatt nagyon drágák, ha összehasonlítjuk a csiszolt egyenáramú motorokkal. A kefe nélküli egyenáramú motorok használata előtt győződjön meg arról, hogy a többletköltségek a projekt megfizethető határain belül vannak. A döntés meghozatala előtt vegye figyelembe a BLDC-k használatához szükséges egyéb kiegészítők költségeit is.