Motori s četkom i bez četkica: rad, konstrukcija i primjena

Elektromotori su postali veliki dio našeg života. Nalaze se u svim vrstama uređaja, od električnih automobila do dronova, robota i ostalih elektroničkih uređaja. Općenito govoreći, električni motor je uređaj koji pretvara električnu energiju u mehaničku. Obično se o njima govori kao o suprotnoj od generatora jer djeluju na sličnim principima i teoretski se mogu pretvoriti u generatore. U osnovi se koriste u situacijama kada je potrebno rotacijsko gibanje, a primjenu pronalaze u uređajima (vibracijski motori), robotima, medicinskoj opremi, igračkama i još mnogo toga.

Elektromotori se mogu svrstati u dvije široke kategorije ovisno o vrsti izvora energije koja se za njih koristi: AC motori i DC motori. Kao što naziv govori, AC motori se generički napajaju izmjeničnim izvorima napajanja (jednofazni ili trofazni) i uglavnom se koriste u industrijskim i teškim uvjetima rada gdje je potreban veliki obrtni moment. S druge strane, istosmjerni motori (koji su danas u našem fokusu) obično su manji i koriste se u aplikacijama temeljenim na baterijama (ili priključenim na istosmjerne izvore) gdje je potreban znatno manji rad u odnosu na motore naizmjenične struje. Primjenu pronalaze u nekoliko uređaja, od svakodnevnih uređaja poput škare za brijanje do igračaka za djecu, robota i dronova.

Zahtjevi za istosmjernim motorima razlikuju se od jedne aplikacije do druge, jer jedna aplikacija može zahtijevati više okretnog momenta i smanjiti brzinu, dok druga može zahtijevati veću brzinu i smanjeni okretni moment, pa istosmjerne motore na temelju toga ponekad klasificiraju prodavači. Međutim, istosmjerni motori mogu se klasificirati u tri različite kategorije ili vrste, uključujući;

1. Brušeni istosmjerni motor
2. Istosmjerni motori bez četkica
3. Servo motori.

U današnjem članku fokus će nam biti na bez četkica i četkanih istosmjernih motora, dok ispitujemo razliku između njih u principu rada, konstrukcije, primjena, prednosti i nedostataka. Za treću vrstu možete pregledati detaljan članak Servo motora.

Načelo rada i konstrukcija

Rad svih motora uglavnom se temelji na dva principa ; Amperesov zakon i Faradayev zakon. Na prvi zakon kaže da električni vodič stavi u magnetsko polje će doživjeti silu ako struja teče kroz dirigent ima komponentu pod pravim kutom u odnosu na tom području. U drugi princip navodi da ako se vodič kreće kroz magnetsko polje, a zatim bilo koji dio pokreta okomito na tom području će generirati razlika potencijala između krajeva vodiča.

Na temelju tih zakona, električni motori sastoje se od dva glavna dijela; Stalni magnet i gomila vodiča namotanih u zavojnicu. Primjenom električne energije na zavojnicu on postaje magnet i na temelju činjenice da se magneti odbijaju na sličnim polovima i privlače na za razliku od polova, postiže se rotacijsko gibanje.

Brušeni istosmjerni motor

Poznato je da je istosmjerni motor jedan od najranijih i najjednostavnijih motora jer na najjednostavniji način provodi gore opisane zakone. Kao što je opisano na slici ispod, konstrukcija četkanog istosmjernog motora sastoji se od fiksnog statora izrađenog od trajnog magneta i pokretne armature (rotora) na kojoj su komponente poput komutatora, četkica i podijeljenog prstena smještene oko motora vratilo.

Kada se motor napaja električnom energijom (putem baterije ili putem izvora napajanja izmjeničnim i istosmjernim naponom), struja struji od izvora do armature kroz četke koje su obično smještene na suprotnim stranama osovine motora. Četke (čija je prisutnost u dizajnu glavni čimbenik iza imena motora) prenose električnu struju na armaturu fizičkim kontaktom s komutatorom. Čim je armatura (zavojnica žice) pod naponom, ona se počinje ponašati poput magneta i u tom trenutku njezini polovi počinju odbijati polove trajnog magneta koji čini stator. Kako se polovi odbijaju, vratilo motora na koje je pričvršćena armatura počinje se okretati brzinom i momentom koji ovisi o jačini magnetskog polja oko armature.

Jačina magnetskog polja obično je funkcija napona primijenjenog na četke i jačine trajnog magneta koji se koristi za stator.

Istosmjerni motori bez četkica

Iako koriste isti princip elektromagnetizma, motori bez četkica su s druge strane složeniji. Izravni su rezultat napora učinjenih na poboljšanju učinkovitosti četkanih istosmjernih motora i mogu se jednostavno opisati kao motori koji ne prihvaćaju upotrebu četkica za komutaciju. Međutim, pojednostavljena priroda tog opisa ustupa mjesto pitanjima o tome kako se motor pokreće i kako se kretanje postiže bez četkica što ću pokušati objasniti.

Suprotno konstrukciji četkanih motora, kod motora bez četkica stvari se okreću. Armatura koja se u slučaju četkanog motora okreće unutar statora, miruje u motorima bez četkica, a trajni magnet, koji je u četkanim motorima učvršćen, služi kao rotor u motoru bez četkica. Jednostavno rečeno, stator za istosmjerne motore bez četkica sastoji se od zavojnica, dok je njegov rotor (na koji je pričvršćena osovina motora) od trajnog magneta.

Budući da motor bez četkica eliminira upotrebu četkica za napajanje armature, prebacivanje (komutacija) postaje složenije i izvodi se elektronički pomoću dodatnog skupa elektroničkih komponenata (poput pojačala koje pokreće komutacijska komponenta poput optičkog kodera) za postizanje pokreta. Algoritmi komutacije za četkarske istosmjerne motore mogu se podijeliti na dva; Senzualna i besmislena komutacija.

U komutaciji baziranoj na senzorima, senzori (npr. Hallov senzor) postavljeni su duž polova motora kako bi pružili povratnu informaciju upravljačkom krugu kako bi pomogli u procjeni položaja rotora. Postoje tri popularna algoritma koja se koriste za komutaciju zasnovanu na senzorima;

1. Trapezna komutacija
2. Sinusoidna komutacija
3. Vektorska (ili orijentirana na polje) kontrola.

Svaki od ovih upravljačkih algoritama ima svoje prednosti i nedostatke, a algoritmi se mogu implementirati na različite načine, ovisno o softveru i dizajnu elektroničkog hardvera kako bi se izvršile potrebne promjene.

S druge strane, u komutaciji bez senzora, umjesto da se senzori postavljaju u motore, upravljački je sklop dizajniran za mjerenje stražnjeg EMF-a za procjenu položaja rotora.

Ovaj algoritam izvodi prilično dobro i troši se na smanjenu cijenu jer se eliminiraju troškovi dvoranskih senzora, ali njegova je implementacija puno složenija u usporedbi s algoritmima temeljenim na senzorima.

Prednost i nedostaci

U četkanim istosmjernim motorima četke su u stalnom kontaktu s rotacijskim komutatorom. To dovodi do stvaranja znatne količine trenja, a to dovodi do gubitka energije za zagrijavanje i postupnog trošenja četkica. Dakle, četkani istosmjerni motori imaju malu učinkovitost i zahtijevaju povremeno održavanje. To stvara puno trenja, a trenje je jednako toplini (gubitak energije) i trošenju. S druge strane, četkice istosmjerne struje u osnovi su bez trenja i stoga imaju doista visoku učinkovitost, zahtijevaju nula održavanja i traju dulje od četkano DC motora.

Međutim, četkani istosmjerni motori vrlo su jeftini u usporedbi s kolegama bez četkica zbog jednostavne prirode njihovog dizajna. S druge strane, četkani istosmjerni motori prilično su skupi zbog svog složenog dizajna i dodatnih troškova dodatnih elektroničkih komponenata (kontrolera) potrebnih za njihov pogon.

Prijave

Iako su istosmjerni motori bez četkica danas popularniji, istosmjerni motori s četkom i dalje se koriste u svakodnevnim kućanskim aparatima, dječjim igračkama i u industrijskim primjenama zbog lakoće kojom se može mijenjati njihov omjer brzine i obrtnog momenta. Zbog svoje niske cijene koriste se u aplikacijama u kojima bi host uređaj mogao otkazati prije motora.

S druge strane, četkani istosmjerni motori pronašli su primjenu u svim vrstama uređaja, od medicinske opreme, robota i dronova do električnih automobila, električnih alata itd. U osnovi se koriste u aplikacijama koje zahtijevaju visoku učinkovitost, dugovječnost i vrijede troškova.

Čimbenici koje treba uzeti u obzir pri odabiru između četkanih i četkanih istosmjernih motora

Pored brzine, okretnog momenta, ocjene snage i ostalih osnovnih zahtjeva za vašu primjenu u nastavku su tri čimbenika za koja smatram da bi ih također bilo dobro uzeti u obzir prilikom donošenja odluke o vrsti motora koji će se primijeniti za vašu aplikaciju.

1. Radni ciklus / vijek trajanja
2. Učinkovitost
3. Upravljanje / aktiviranje
4. Trošak

Radni ciklus / vijek trajanja

Životni vijek opisuje koliko je dugo motor potreban da radi prije kvara i u kojem radnom ciklusu. To je važno jer su istosmjerni četkani motori, kao što je ranije spomenuto, osjetljivi na trošenje zbog trenja između četkica i komutatora. Stoga je važno osigurati da aplikacija bude ona u kojoj će motor raditi tijekom cijelog životnog vijeka ili aplikacija u kojoj će se održavanje motora smatrati normalnim i jeftinim ako se koriste četkani istosmjerni motori. Dobar primjer za to su dječje igračke, gdje se igračke obično bacaju ili oštećuju prije nego što se motor istroši. U aplikacijama s dugim vijekom trajanja i servisiranje motora nije održiva opcija, istosmjerni motori bez četkica obično su pametna opcija.

Učinkovitost

Općenito, bez četkica istosmjerni motori imaju veću ukupnu učinkovitost u usporedbi s četkanim istosmjernim motorima, ali bilo je slučajeva četkanog motora s jezgrom bez željeza s superiornom učinkovitošću u usporedbi s ekvivalentnim motorima bez četkica. Međutim, važno je procijeniti ukupnu potrebnu učinkovitost i usporediti je s učinkovitošću svakog motora prije donošenja odluke. U većini slučajeva kada je učinkovitost odlučujući faktor, istosmjerni motori bez četkica obično pobjeđuju.

Upravljanje / aktiviranje

To je obično jedan od glavnih zastoja što se tiče upotrebe istosmjernih motora bez četkica. Dodatni zahtjevi poput regulatora itd. Čine aktiviranje složenijim u usporedbi s četkanim istosmjernim motorima koji se mogu pokretati / aktivirati metodama jednako trivijalno poput spajanja baterije preko njezinih terminala. Trebali biste osigurati da je složenost korištenja istosmjernog motora bez četkica za projekt opravdana i da je prateća elektronika poput kontrolera lako dostupna. Bez obzira na jednostavnost istosmjernih motora s četkom, oni ponekad nisu prikladni za visoko precizne primjene. Iako se četkani istosmjerni motor lako može spojiti na kontroler poput Arduina, mnogo je složeno povezati BLDC s Arduino Uno, međutim ESC (elektronički regulator brzine)) olakšava povezivanje BLDC-a s mikrokontrolerom.

Trošak

Složenost dizajna istosmjernih motora bez četkica čini ih uistinu skupima u usporedbi s istosmjernim motorima s četkom. Budite sigurni da su dodatni troškovi unutar prihvatljivih granica za projekt prije nego što se odlučite za istosmjerne motore bez četkica. Prije donošenja odluke razmotrite i troškove ostale dodatne opreme potrebne za upotrebu BLDC-a.