Мотори са четком и четком: рад, конструкција и примена

Електромотори су постали огроман део нашег живота. Налазе се у свим врстама уређаја, од електричних аутомобила до дронова, робота и других електроничких уређаја. Уопштено говорећи, електрични мотор је уређај који претвара електричну енергију у механичку. Обично се о њима говори као о потпуно супротној од генератора јер раде на сличним принципима и теоретски се могу претворити у генераторе. У основи се користе у ситуацијама када је потребно ротационо кретање и проналазе примену у уређајима (вибрациони мотори), роботима, медицинској опреми, играчкама и многим другим.

Електромотори се могу сврстати у две широке категорије на основу врсте извора енергије која се за њих користи: Мотори наизменичне струје и Мотори једносмерне струје. Као што и само име говори, наизменични мотори се генерички напајају наизменичним изворима напајања (једнофазни или трофазни) и углавном се користе у индустријским и тешким условима где је потребан велики обртни моменат. С друге стране, једносмерни мотори (који су данас у нашем фокусу) обично су мањи и користе се у апликацијама заснованим на батеријама (или прикљученим на истосмерне изворе) где је потребан знатно мањи рад у поређењу са моторима наизменичне струје. Проналазе апликације у неколико уређаја, од свакодневних уређаја попут шкафа за бријање до играчака за децу, робота и дронове, између осталог.

Захтев за једносмерним моторима разликује се од једне до друге примене, јер једна апликација може захтевати већи обртни моменат и смањити брзину, док друга може захтевати већу брзину и смањени обртни моменат, тако да истосмерне моторе понекад продавци на основу тога класификују. Међутим, једносмерни мотори се могу класификовати у три различите категорије или врсте, укључујући;

Брушени једносмерни мотор
Без четкица једносмерни мотори
Серво Моторс.

У данашњем чланку фокус ће нам бити на четкастим и четканим једносмерним моторима, док испитујемо разлику између њих на принципу принципа рада, конструкције, примена, предности и недостатака. За трећи тип можете да погледате детаљан чланак Серво мотора.

Принцип рада и конструкција

Рад свих мотора углавном се заснива на два принципа ; Закон Ампера и Фарадејев закон. У први закон наводи да је електрични проводник постављен у магнетном пољу ће искусити силу уколико постоји струја која тече кроз проводник има компоненту под правим углом у тој области. У другом принципу каже да ако је проводник се помера кроз магнетно поље, онда свака компонента покрета управно на том пољу ће генерисати потенцијалну разлику између крајева проводника.

На основу ових закона, електрични мотори се састоје од два главна дела; Стални магнет и гомила проводника намотаних у калем. Применом електричне енергије на завојницу он постаје магнет и заснован на чињеници да се магнети одбијају на сличним половима и привлаче на за разлику од полова, постиже се ротационо кретање.

Брушени једносмерни мотор

Познато је да је четвороструки једносмерни мотор један од најранијих и најједноставнијих мотора јер на најједноставнији начин спроводи горе описане законе. Као што је описано на слици испод, конструкција четканог једносмерног мотора састоји се од фиксног статора израђеног од трајног магнета и покретне арматуре (ротора) на којој су компоненте попут комутатора, четкица и подељеног прстена све постављене око мотора осовина.

Када се напајање мотора напаја (батеријом или преко извора напајања наизменичном и једносмерном струјом), струја струји од извора до арматуре кроз четке које су обично смештене на супротним странама осовине мотора. Четке (чије је присуство у дизајну главни фактор иза имена мотора) преносе електричну струју на арматуру физичким контактом са комутатором. Чим се арматура (калем жице) укључи, она се почиње понашати попут магнета и у том тренутку њени полови почињу да одбијају полове трајног магнета који чини статор. Како се полови одбијају, вратило мотора на које је причвршћена арматура почиње да се окреће брзином и обртним моментом који зависе од јачине магнетног поља око арматуре.

Јачина магнетног поља је обично функција напона примењеног на четке и јачине трајног магнета који се користи за статор.

Без четкица једносмерни мотори

Иако користе исти принцип електромагнетизма, мотори без четкица су с друге стране сложенији. Они су директан резултат напора уложених у побољшање ефикасности четканих једносмерних мотора и могу се једноставно описати као мотори који не прихватају употребу четкица за комутацију. Међутим, поједностављена природа тог описа уступа место питањима о томе како се мотор напаја и како се кретање постиже без четкица, што ћу покушати да објасним.

Супротно конструкцији четканих мотора, код мотора без четкица ствари се преврћу. Арматура која се у случају четканог мотора ротира унутар статора, мирује у моторима без четкица, а трајни магнет, који је у четканим моторима фиксиран, служи као ротор у мотору без четкица. Једноставно речено, статор за једносмерне моторе без четкица састоји се од завојница, док је његов ротор (на који је причвршћена осовина мотора) од трајног магнета.

Будући да мотор без четкица елиминише употребу четкица за напајање арматуре, пребацивање (комутација) постаје сложеније и врши се електронски помоћу додатног скупа електронских компонената (попут појачала које покреће комутациона компонента попут оптичког кодера) за постизање покрета. Алгоритми комутације за четкасте једносмерне моторе могу се поделити на два; Комуникација заснована на сензорима и бесмислена.

У комутацији заснованој на сензорима, сензори (нпр. Халлов сензор) су постављени дуж полова мотора како би обезбедили повратне информације о управљачком кругу како би помогли у процени положаја ротора. Постоје три популарна алгоритма која се користе за комутацију засновану на сензорима;

Трапезна комутација
Синусоидна комутација
Векторска (или оријентисана) контрола.

Сваки од ових управљачких алгоритама има своје предности и недостатке, а алгоритми се могу применити на различите начине у зависности од софтвера и дизајна електроничког хардвера да би се извршиле неопходне промене.

С друге стране, у комутацији без сензора, уместо да се сензори постављају у моторе, управљачко коло је дизајнирано за мерење задњег ЕМФ-а за процену положаја ротора.

Овај алгоритам се прилично добро изводи и има смањену цену јер се елиминишу трошкови халских сензора, али његова примена је много сложенија у поређењу са алгоритмима заснованим на сензорима.

Предност и недостаци

У четканим једносмерним моторима четке су у сталном контакту са ротирајућим комутатором. То доводи до стварања знатне количине трења, а то доводи до губитка енергије за загревање и постепеног трошења четкица. Дакле, четкани истосмерни мотори имају малу ефикасност и захтевају периодично одржавање. Ово ствара велико трење, а трење је једнако топлоти (губитак енергије) и хабању. С друге стране, четкице без једносмерне струје у основи су без трења и стога имају заиста високу ефикасност, захтевају нула одржавања и трају дуже од једносмерних мотора са четком.

Међутим, четкани једносмерни мотори су врло јефтини у поређењу са својим колегама без четкица због једноставне природе њиховог дизајна. С друге стране, без четкица једносмерни мотори су прилично скупи због свог сложеног дизајна и додатних трошкова додатних електроничких компонената (контролера) потребних за њихов погон.

Апликације

Иако су једносмерни мотори без четкица данас популарнији, једносмерни мотори са четком и даље се користе у свакодневним кућним апаратима, дечјим играчкама и у индустријским применама због лакоће којом се може мењати њихов однос брзине и обртног момента. Због своје ниске цене, користе се у апликацијама где би хост уређај могао да откаже пре мотора.

Без четкица једносмерни мотори су, с друге стране, пронашли примену у свим врстама уређаја, од медицинске опреме, робота и дронова до електричних аутомобила, електричних алата итд. Они се у основи користе у апликацијама које захтевају високу ефикасност, дуготрајност и вреде трошкова.

Чимбеници које треба узети у обзир при одабиру између четканих и четканих једносмерних мотора

Поред брзине, обртног момента, оцене снаге и осталих основних захтева за вашу апликацију у наставку су три фактора која сматрам да би такође било добро узети у обзир приликом доношења одлуке о типу мотора који ће се применити за вашу апликацију.

Радни циклус / радни век
Ефикасност
Управљање / активирање
Трошак

Радни циклус / радни век

Радни век описује колико дуго је мотор потребан да ради пре отказа и у ком радном циклусу. Ово је важно јер су четкани истосмерни мотори, као што је раније поменуто, подложни хабању због трења између четкица и комутатора. Стога је важно осигурати да апликација буде она у којој ће мотор функционисати током читавог животног века или апликација у којој ће се одржавање мотора сматрати нормалним и јефтиним ако се користе четкани истосмерни мотори. Добар пример за то су дечије играчке, где се играчке обично бацају или оштећују пре него што се мотор истроши. У апликацијама са дугим радним веком и сервисирање мотора није одржива опција, једносмерни мотори без четкица су обично мудра опција.

Ефикасност

Генерално, без четкица једносмерни мотори имају већу укупну ефикасност у поређењу са четканим једносмерним моторима, али било је случајева да су језгра четканих мотора без језгра са супериорном ефикасношћу у поређењу са еквивалентним моторима без четкица. Међутим, важно је проценити укупну потребну ефикасност и упоредити је са ефикасношћу сваког мотора пре доношења одлуке. У већини случајева где је ефикасност одлучујући фактор, једносмерни мотори без четкица обично победе.

Управљање / активирање

Ово је обично један од главних застоја када је у питању једносмерни мотор без четкица. Додатни захтеви попут контролера итд. Чине активирање сложенијим у поређењу са четканим једносмерним моторима који би могли да се напајају / покрећу методама једнако тривијално као повезивање батерије преко њених терминала. Требали бисте осигурати да је сложеност употребе једносмерног мотора без четкица за пројекат оправдана и да је пратећа електроника попут контролера лако доступна. Без обзира на једноставност четканих једносмерних мотора, они понекад нису погодни за високо прецизне примене. Иако се четкани једносмерни мотор лако може повезати са контролером попут Ардуина, много је сложено повезати БЛДЦ са Ардуино Уно, међутим ЕСЦ (електронски регулатор брзине) олакшава повезивање БЛДЦ-а са микроконтролером.

Трошак

Сложеност дизајна једносмерних мотора без четкица чини их заиста скупим у поређењу са четканим једносмерним моторима. Уверите се да су додатни трошкови у оквиру прихватљивих граница за пројекат пре него што се одлучите за једносмерне моторе без четкица. Такође размотрите трошкове остале додатне опреме потребне за употребу БЛДЦ-а пре него што донесете одлуку.