Kartáčované vs střídavé motory: provoz, konstrukce a aplikace

Elektromotory se staly obrovskou součástí našeho života. Vyskytují se v nejrůznějších zařízeních od elektromobilů až po drony, roboty a další elektronická zařízení. Obecně je elektrický motor zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou. Obvykle se označují jako pravý opak generátorů, protože fungují na podobných principech a lze je teoreticky převést na generátory. V zásadě se používají v situacích, kdy je nutný rotační pohyb, a nacházejí uplatnění v zařízeních (vibrační motory), robotech, lékařských zařízeních, hračkách a mnoha dalších.

Elektrické motory lze rozdělit do dvou širokých kategorií podle druhu použitého zdroje energie: třífázové motory a stejnosměrné motory. Jak název napovídá, střídavé motory jsou genericky napájeny pomocí střídavých zdrojů energie (jednofázové nebo třífázové) a jsou většinou používány v průmyslových a těžkých aplikacích, kde je vyžadován vysoký točivý moment. Naproti tomu stejnosměrné motory (na které se dnes zaměřujeme) jsou obvykle menší a používají se v aplikacích založených na baterii (nebo napájených stejnosměrnými zdroji), kde je ve srovnání se střídavými motory vyžadováno podstatně méně práce. Nacházejí aplikace v několika zařízeních, od běžných zařízení, jako jsou holicí strojky na holení, hračky pro děti, roboty a drony.

Požadavek na stejnosměrné motory se liší od jedné aplikace k druhé, protože jedna aplikace může vyžadovat větší točivý moment a snížit otáčky, zatímco jiná může vyžadovat více otáček a snížený točivý moment, proto jsou stejnosměrné motory někdy na základě toho klasifikovány prodejci. Nicméně, DC motory je možné rozdělit do tří různých skupin nebo druhů, včetně;

Kartáčovaný stejnosměrný motor
Střídavé stejnosměrné motory
Servomotory.

V dnešním článku se naše zaměření zaměří na střídavé a kartáčované stejnosměrné motory, protože zkoumáme rozdíl mezi nimi v duchu principu provozu, konstrukce, aplikací, výhod a nevýhod. U třetího typu si můžete projít podrobný článek Servomotor.

Princip činnosti a konstrukce

Provoz všech motorů je obecně založen na dvou principech, které jsou ; Amperesův zákon a Faradayův zákon. Na první zákon uvádí, že se elektrický vodič umístěn v magnetickém poli zažít sílu případné proud protékající vodičem má složku v pravém úhlu k této oblasti. Na druhý princip uvádí, že v případě, že vodič se pohybuje v magnetickém poli, pak každý složka pohybu kolmo k této oblasti vytvoří potenciální rozdíl mezi konci vodiče.

Na základě těchto zákonů se elektromotory skládají ze dvou hlavních částí; Permanentní magnet a hromada vodičů navinutých do cívky. Aplikováním elektřiny na cívku se stává magnetem a na základě skutečnosti, že magnety odpuzují stejné póly a přitahují je na rozdíl od pólů, je dosaženo rotačního pohybu.

Kartáčovaný stejnosměrný motor

O kartáčovaném stejnosměrném motoru je známo, že je jedním z prvních a nejjednodušších motorů, protože implementuje výše popsané zákony nejjednodušším způsobem. Jak je popsáno na obrázku níže, konstrukce kartáčovaného stejnosměrného motoru zahrnuje pevný stator vyrobený z permanentního magnetu a pohyblivou armaturu (Rotor), na které jsou kolem motoru umístěny komponenty jako komutátor, kartáče a dělený prstenec hřídel.

Když je motor napájen (prostřednictvím baterie nebo prostřednictvím zdroje střídavého proudu se stejnosměrným proudem), elektřina proudí ze zdroje do armatury přes kartáče, které jsou obvykle umístěny na opačných stranách hřídele motoru. Kartáče (jejichž přítomnost v konstrukci je hlavním faktorem za názvem motoru) přenášejí elektrický proud do kotvy fyzickým kontaktem s komutátorem. Jakmile je kotva (cívka drátu) pod napětím, začne se chovat jako magnet a v tomto bodě začnou její póly odpuzovat póly permanentního magnetu, který tvoří stator. Jak se póly odpuzují, hřídel motoru, ke které je kotva připojena, se začne otáčet rychlostí a točivým momentem, které závisí na síle magnetického pole kolem kotvy.

Síla magnetického pole je obvykle funkcí napětí aplikovaného na kartáče a síly permanentního magnetu použitého pro stator.

Střídavé stejnosměrné motory

I když používají stejný princip elektromagnetismu, jsou střídavé motory na druhé straně složitější. Jsou přímým výsledkem úsilí vynaloženého na zlepšení účinnosti stejnosměrných motorů s kartáčem a lze je jednoduše popsat jako motory, které pro komutaci nepřijímají použití kartáčů. Zjednodušující povaha tohoto popisu však ustupuje otázkám, jak je motor napájen a jak je dosaženo pohybu bez kartáčů, které se pokusím vysvětlit.

Na rozdíl od konstrukce kartáčovaných motorů se u bezkartáčových motorů věci otočí. Kotva, která se v případě kartáčovaného motoru otáčí uvnitř statoru, je u bezkartáčových motorů stacionární a permanentní magnet, který je u kartáčovaných motorů fixovaný, slouží jako rotor ve střídavém motoru. Jednoduše řečeno, stator pro střídavé stejnosměrné motory je tvořen cívkami, zatímco jeho rotor (ke kterému je připojena hřídel motoru) je tvořen permanentním magnetem.

Protože střídavý motor eliminuje použití kartáčů k napájení kotvy, přepínání (komutace) se stává složitějším a provádí se elektronicky pomocí další sady elektronických součástek (jako je zesilovač spouštěný komutační součástí, jako je optický kodér) k dosažení pohybu. Komutační algoritmy pro střídavé stejnosměrné motory lze rozdělit na dva; Senzorová a nesmyslná komutace.

Při komutaci na základě senzoru jsou senzory (např. Hallovy senzory) umístěny podél pólů motoru, aby poskytovaly zpětnou vazbu řídicím obvodům, které mu pomohou odhadnout polohu rotoru. Pro komutaci založenou na senzorech se používají tři populární algoritmy;

Lichoběžníková komutace
Sinusová komutace
Vektorové (nebo orientované na pole) řízení.

Každý z těchto řídicích algoritmů má své klady a zápory a algoritmy lze implementovat různými způsoby v závislosti na softwaru a konstrukci elektronického hardwaru, aby bylo možné provést nezbytné změny.

Naproti tomu v komutaci bez čidel je namísto snímačů umístěných v motorech řídicí obvod navržen tak, aby měřil zadní EMF pro odhad polohy rotoru.

Tento algoritmus funguje docela dobře a je za sníženou cenu, protože náklady na Hallovy senzory jsou eliminovány, ale jeho implementace je mnohem složitější ve srovnání s algoritmy založenými na senzorech.

Výhoda a nevýhody

U kartáčovaných stejnosměrných motorů jsou kartáče v neustálém kontaktu s rotujícím komutátorem. To vede ke značnému množství tření, které se vytváří, a to zase ke ztrátě energie pro zahřívání a postupnému opotřebení kartáčů. Kartáčované stejnosměrné motory mají tedy nízkou účinnost a vyžadují pravidelnou údržbu. To vytváří velké tření a tření se rovná teplu (ztrátě energie) a opotřebení. Bezkartáčové stejnosměrné motory jsou na druhé straně v podstatě bez tření a mají tedy opravdu vysokou účinnost, vyžadují nulovou údržbu a vydrží déle než kartáčované stejnosměrné motory.

Nicméně, kartáčované DC motory jsou velmi levné ve srovnání s jejich protějšky střídavých díky jednoduchému povahou své konstrukce. Bezkartáčové stejnosměrné motory jsou na druhé straně poměrně drahé kvůli jejich složité konstrukci a dodatečným nákladům na další elektronické součásti (ovladače) potřebné k jejich pohonu.

Aplikace

Zatímco bezkartáčové stejnosměrné motory jsou dnes více populární, kartáčované stejnosměrné motory se stále používají v každodenních domácích spotřebičích, dětských hračkách a v průmyslových aplikacích kvůli snadnosti, s jakou lze měnit jejich poměr otáček kroutícího momentu. Vzhledem k jejich nízké ceně se používají v aplikacích, kde by hostitelské zařízení mohlo selhat před motory.

Bezkartáčové stejnosměrné motory na druhé straně našly uplatnění v nejrůznějších zařízeních, od zdravotnických zařízení, robotů a dronů po elektromobily, elektrické nářadí atd. Používají se v zásadě v aplikacích, které vyžadují vysokou účinnost, dlouhou životnost a stojí za to.

Faktory, které je třeba vzít v úvahu při výběru mezi střídavými a kartáčovanými stejnosměrnými motory

Kromě rychlosti, točivého momentu, jmenovitého výkonu a dalších základních požadavků pro vaši aplikaci níže jsou tři faktory, které podle mého názoru mohou být dobré při rozhodování o typu motoru pro vaši aplikaci.

Pracovní cyklus / životnost
Účinnost
Ovládání / ovládání
Náklady

Pracovní cyklus / životnost

Životnost popisuje, jak dlouho je motor v provozu před selháním a v jakém pracovním cyklu. To je důležité, protože kartáčovaný stejnosměrný motor, jak již bylo zmíněno výše, je náchylný k opotřebení v důsledku tření mezi kartáči a komutátorem. Je tedy důležité zajistit, aby aplikace byla taková, ve které bude motor funkční po celou dobu životnosti, nebo aplikace, ve které bude údržba motoru považována za normální a levnou, pokud mají být použity kartáčované stejnosměrné motory. Dobrým příkladem toho jsou dětské hračky, kde jsou hračky obvykle vyhozeny nebo poškozeny před opotřebením motoru. V aplikacích s dlouhou životností a údržbou není motor schůdnou volbou, jsou moudrou volbou střídavé stejnosměrné motory.

Účinnost

Obecně platí, že střídavý stejnosměrné motory mají vyšší celkovou účinnost ve srovnání se stejnosměrnými stejnosměrné motory, ale tam byly případy železa méně jádrových stejnosměrnými motory s vynikající účinností ve srovnání s ekvivalentní bezkomutátorové motory. Před rozhodnutím je však důležité vyhodnotit celkovou požadovanou účinnost a porovnat ji s účinností každého motoru. Ve většině případů, kdy je rozhodujícím faktorem účinnost, obvykle zvítězí střídavé stejnosměrné motory.

Ovládání / ovládání

To je obvykle jeden z hlavních neúspěchů, pokud jde o použití střídavých stejnosměrných motorů. Díky dalším požadavkům, jako jsou řadiče atd., Je ovládání složitější ve srovnání s kartáčovanými stejnosměrnými motory, které by mohly být napájeny / ovládány metodami stejně triviálními jako připojení baterie přes jeho svorky. Měli byste zajistit, že je složitost použití střídavého stejnosměrného motoru pro projekt oprávněná a podpůrná elektronika, jako jsou ovladače, je snadno dostupná. Bez ohledu na jednoduchost kartáčovaných stejnosměrných motorů někdy nejsou vhodné pro vysoce přesné aplikace. Zatímco kartáčovaný stejnosměrný motor lze snadno připojit k řadiči, jako je Arduino, je mnohem složitější připojit BLDC s Arduino Uno, nicméně ESC (Electronic Speed Controller)) usnadňuje propojení BLDC s mikrokontrolérem.

Náklady

Složitost konstrukce bezkartáčových stejnosměrných motorů je ve srovnání s kartáčovanými stejnosměrnými motory opravdu drahá. Než se pustíte do střídavých stejnosměrných motorů, ujistěte se, že dodatečné náklady jsou v přijatelných mezích projektu. Než se rozhodnete, zvažte také náklady na další příslušenství potřebné pro použití BLDC.