Børstede mot børsteløse motorer: drift, konstruksjon og applikasjoner

Elektriske motorer har blitt en stor del av livet vårt. De finnes i alle slags enheter fra elektriske biler til droner, roboter og andre elektroniske enheter. Generelt sett er en elektrisk motor en enhet som konverterer elektrisk energi til mekanisk energi. De blir vanligvis referert til som det stikk motsatte av generatorer, ettersom de opererer på lignende prinsipper og teoretisk kan konverteres til generatorer. De brukes hovedsakelig i situasjoner der rotasjonsbevegelse er nødvendig, og de finner applikasjoner i apparater (vibrasjonsmotorer), roboter, medisinsk utstyr, leker og mye mer.

Elektriske motorer kan kategoriseres i to brede kategorier basert på typen strømkilde som brukes til dem: AC-motorer og DC-motorer. Som navnet tilsier, AC-motorer er generisk drives ved hjelp av vekselstrømkilder (enkelt fase eller tre-fase) og er mest brukt i industrielle og tunge applikasjoner hvor mye av dreiemoment er nødvendig. DC-motorer (som er vårt fokus for i dag) er derimot vanligvis mindre og brukes i batteribaserte applikasjoner (eller plugget inn DC-kilder) der det kreves betydelig mindre arbeid i forhold til vekselstrømsmotorer. De finner applikasjoner i flere enheter, alt fra hverdagsapparater som barberklipper til leker for barn, roboter og droner.

Kravet til DC-motorer er forskjellig fra en applikasjon til den andre, da en applikasjon kan kreve mer dreiemoment og redusere hastigheten, mens en annen kan kreve mer hastighet og redusert dreiemoment, og DC-motorer blir derfor noen ganger klassifisert av salgsfolk basert på dette. Imidlertid kan DC-motorer klassifiseres i tre forskjellige kategorier eller typer, inkludert;

Børstet DC-motor
Børsteløse DC-motorer
Servomotorer.

For dagens artikkel vil vårt fokus være på børsteløs og børstet DC-motor når vi undersøker forskjellen mellom dem i tråd med prinsippene for drift, konstruksjon, applikasjoner, fordeler og ulemper. For den tredje typen kan du gå gjennom den detaljerte artikkelen til Servo Motor.

Driftsprinsipp og konstruksjon

Driften av alle motorer er generelt basert på to prinsipper som er ; Amperes lov og faradays lov. Den første loven sier at en elektrisk leder plassert i et magnetfelt vil oppleve en kraft hvis strøm som strømmer gjennom lederen har en komponent vinkelrett på det feltet. Det andre prinsippet sier at hvis en leder beveges gjennom et magnetfelt, vil enhver bevegelseskomponent vinkelrett på dette feltet generere en potensiell forskjell mellom lederens ender.

Basert på disse lovene består elektriske motorer av to hoveddeler; En permanent magnet og en haug med ledere viklet inn i en spole. Ved å påføre elektrisitet på spolen blir den en magnet og basert på det faktum at magneter frastøter på samme pol og tiltrekker seg ulikt poler, oppnås en rotasjonsbevegelse.

Børstet DC-motor

Den børstede DC-motoren er kjent for å være en av de tidligste og enkleste motorene, da den implementerer lovene beskrevet ovenfor på den enkleste måten. Som beskrevet i bildet nedenfor består konstruksjonen av en børstet DC-motor av en fast stator laget av en permanent magnet og en bevegelig anker (Rotor) på hvilke komponenter som kommutator, børster og delt ring som alle er plassert rundt motoren. aksel.

Når strøm leveres til motoren (gjennom batteri eller via en AC til DC koblet til kilde), strømmer strøm fra kilden til ankeret gjennom børstene som vanligvis er plassert på motsatte sider av motorakselen. Børstene (hvis tilstedeværelse i designet er en viktig faktor bak motorens navn), overfører elektrisk strøm til ankeret gjennom fysisk kontakt med kommutatoren. Så snart ankeret (trådspolen) får strøm, begynner det å oppføre seg som en magnet, og på det tidspunktet begynner polene å avvise polene til den permanente magneten som utgjør statoren. Når stolpene avstøter, begynner motorakselen som ankeret er festet til å rotere med en hastighet og et dreiemoment som avhenger av styrken til magnetfeltet rundt ankeret.

Styrken til magnetfeltet er vanligvis en funksjon av spenningen som påføres på børstene og styrken til den permanente magneten som brukes til statoren.

Børsteløse DC-motorer

Selv om de bruker det samme prinsippet om elektromagnetisme, er børsteløse motorer derimot mer komplekse. De er et direkte resultat av arbeidet med å forbedre effektiviteten til børstede DC-motorer og kan enkelt beskrives som motorer som ikke bruker bruk av børster for pendling. Imidlertid gir den enkle beskrivelsen vei for spørsmål om hvordan motoren blir drevet og hvordan bevegelse oppnås uten børster, som jeg vil prøve å forklare.

I motsetning til konstruksjonen av de børstede motorene, snur ting rundt i børsteløse motorer. Armaturet som i tilfelle av den børstede motoren, roterer i statoren, er stasjonær i børsteløse motorer, og den permanente magneten, som i børstede motorer er festet, fungerer som rotoren i en børsteløs motor. Enkelt sagt, statoren for børsteløse DC-motorer består av spoler mens rotoren (som motorakselen er festet til) består av en permanent magnet.

Siden børsteløs motor eliminerer bruken av børster for å gi strøm til ankeret, blir byttingen (kommutering) mer kompleks og utføres elektronisk ved hjelp av et ekstra sett med elektroniske komponenter (som en forsterker utløst av en kommuterende komponent som en optisk koderen) for å oppnå bevegelse. Kommuteringsalgoritmer for børsteløse DC-motorer kan deles i to; Sensorbasert og meningsløs kommutering.

I sensorbasert kommutering plasseres sensorer (f.eks. Hallsensor) langs motorens poler for å gi tilbakemelding til kontrollkretsene for å hjelpe den med å estimere rotorposisjonen. Det er tre populære algoritmer som brukes for sensorbasert kommutering;

Trapesformet pendling
Sinusformet pendling
Vektor (eller feltorientert) kontroll.

Hver av disse kontrollalgoritmene har sine fordeler og ulemper, og algoritmene kan implementeres på forskjellige måter, avhengig av programvaren og utformingen av elektronikkmaskinvaren for å gjøre nødvendige endringer.

I sensorløs kommutering derimot, er kontrollkretsene designet for å måle den bakre EMF for å estimere rotorposisjonen, i stedet for at sensorer plasseres i motorene.

Denne algoritmen fungerer ganske bra og har en redusert kostnad ettersom kostnadene for hallsensorene elimineres, men implementeringen er mye mer kompleks sammenlignet med de sensorbaserte algoritmene.

Fordel og ulemper

I børstede DC-motorer er børstene i konstant kontakt med den roterende kommutatoren. Dette fører til at det genereres en betydelig mengde friksjon, og dette fører igjen til tap av energi til varme og gradvis slitasje på børstene. Dermed har børstede DC-motorer lav effektivitet og krever periodisk vedlikehold. Dette skaper mye friksjon, og friksjon tilsvarer varme (energitap) og slitasje. Børsteløs DC på den annen side er i det vesentlige friksjonsfri og har derfor veldig høy effektivitet, krever null vedlikehold og varer lenger enn børstede DC-motorer.

Imidlertid er børstede likestrømsmotorer veldig billige sammenlignet med sine børsteløse kolleger på grunn av designens enkle natur. Børsteløse DC-motorer er derimot ganske dyre på grunn av deres komplekse design og den ekstra kostnaden for ekstra elektronikkomponenter (kontrollere) som kreves for å kjøre dem.

applikasjoner

Mens børsteløse DC-motorer er mer populære i disse dager, brukes børstede DC-motorer fremdeles i daglige husholdningsapparater, barneleker og i industrielle applikasjoner på grunn av hvor enkelt forholdet mellom hastighet og dreiemoment kan varieres. På grunn av de lave kostnadene brukes de i applikasjoner der vertsenheten kan mislykkes før motorene.

Børsteløse DC-motorer har derimot funnet applikasjoner i alle slags enheter, fra medisinsk utstyr, roboter og droner til elbiler, elektroverktøy osv. De brukes hovedsakelig i applikasjoner som krever høy effektivitet, lang levetid og er verdt prisen.

Faktorer å ta hensyn til når du velger mellom børsteløs og børstet DC-motor

Bortsett fra hastighet, dreiemoment, effekt og andre grunnleggende krav til applikasjonen din nedenfor, er tre faktorer jeg føler at det også kan være greit å vurdere når du tar en beslutning om hvilken type motor du skal bruke for applikasjonen.

Driftssyklus / levetid
Effektivitet
Kontroll / aktivering
Koste

Driftssyklus / levetid

Levetiden beskriver hvor lenge motoren er påkrevd før den svikter og i hvilken driftssyklus. Dette er viktig fordi børstet likestrømsmotor som nevnt tidligere er utsatt for slitasje på grunn av friksjonen mellom børstene og kommutatoren. Derfor er det viktig å sikre at applikasjonen er en der motoren vil være funksjonell gjennom hele levetiden, eller en applikasjon der service av motoren vil bli ansett som normal og billig hvis børstede DC-motorer skal brukes. Et godt eksempel på dette er i barneleker, der lekene vanligvis blir kastet eller skadet før motoren slites ut. I applikasjoner med lang levetid og service er ikke motoren et levedyktig alternativ, børsteløse DC-motorer er vanligvis det kloke alternativet.

Effektivitet

Generelt har børsteløs DC-motor høyere totaleffektivitet sammenlignet med børstede DC- motorer, men det har vært tilfeller av jernfri kjerne-børstede motorer med overlegen effektivitet sammenlignet med tilsvarende børsteløse motorer. Det er imidlertid viktig å evaluere den samlede nødvendige effektiviteten og sammenligne den med den til hver motor før du tar en beslutning. I de fleste tilfeller hvor effektivitet er den avgjørende faktoren, vinner børsteløse DC-motorer vanligvis.

Kontroll / aktivering

Dette er vanligvis et av de største tilbakeslagene når det gjelder bruk av børsteløse DC-motorer. De tilleggskravene som kontrollere osv. Gjør aktiveringen mer kompleks sammenlignet med børstede likestrømsmotorer som kan være drevet / aktiverte metoder så trivielle som å koble et batteri over terminalene. Du bør sørge for at kompleksiteten som er involvert i å bruke en børsteløs likestrømsmotor til prosjektet er berettiget, og støtteelektronikken, som kontrollerne, er lett tilgjengelig. Uavhengig av enkelheten til børstede DC-motorer, er de noen ganger ikke egnet for applikasjoner med høy presisjon. Mens børstet DC-motor lett kan kobles til kontrolleren som Arduino, er det mye komplisert å koble en BLDC til Arduino Uno, men ESC (Electronic Speed Controller)) gjør det lettere å grensesnitt en BLDC med en mikrokontroller.

Koste

Kompleksiteten i utformingen av børsteløse DC-motorer gjør dem veldig dyre sammenlignet med børstede DC-motorer. Sørg for at ekstrakostnadene er innenfor rimelige rammer for prosjektet før du går for børsteløse DC-motorer. Vurder også kostnadene for annet tilbehør som kreves for bruk av BLDC før du tar en beslutning.