Børstede vs børsteløse motorer: drift, konstruktion og applikationer

Elektriske motorer er blevet en stor del af vores liv. De findes i alle slags enheder fra elbiler til droner, robotter og andre elektroniske enheder. Generelt er en elektrisk motor en enhed, der omdanner elektrisk energi til mekanisk energi. De omtales normalt som det nøjagtige modsatte af generatorer, da de fungerer på lignende principper og teoretisk kan konverteres til generatorer. De bruges hovedsageligt i situationer, hvor der er behov for rotationsbevægelse, og de finder applikationer i apparater (vibrationsmotorer), robotter, medicinsk udstyr, legetøj og meget mere.

Elektriske motorer kan kategoriseres i to brede kategorier baseret på den slags strømkilde, der bruges til dem: AC-motorer og DC-motorer. Som navnet antyder, AC motorer er generisk drevet ved hjælp af AC-strømkilder (enfasede eller trefasede) og bruges mest i Industrial og tunge applikationer, hvor en masse af drejningsmoment er påkrævet. DC-motorer (som er vores fokus i dag) er derimod normalt mindre og bruges i batteribaserede (eller tilsluttede DC-kilder) baserede applikationer, hvor der kræves betydeligt mindre arbejde i forhold til vekselstrømsmotorer. De finder applikationer i flere enheder lige fra dagligdags enheder som barberklipper til legetøj til børn, robotter og droner blandt andre.

Kravet til jævnstrømsmotorer adskiller sig fra den ene applikation til den anden, da en applikation kan kræve mere drejningsmoment og reducere hastigheden, mens en anden kan kræve mere hastighed og reduceret drejningsmoment, og derfor klassificeres jævnstrømsmotorer undertiden af ​​salgsfolk baseret på dette. Dog kan jævnstrømsmotorer klassificeres i tre forskellige kategorier eller typer inklusive;

1. Børstet DC-motor
2. Børsteløse DC-motorer
3. Servomotorer.

I dagens artikel vil vores fokus være på børsteløse og børstede jævnstrømsmotorer, når vi undersøger forskellen mellem dem i retning af driftsprincippet, konstruktion, applikationer, fordele og ulemper. For den tredje type kan du gå gennem den detaljerede artikel i Servomotor.

Driftsprincip og konstruktion

Driften af ​​alle motorer er generelt baseret på to principper, som er : Amperes lov og faradays lov. Den første lov siger, at en elektrisk leder placeret i et magnetfelt vil opleve en kraft, hvis nogen strøm, der strømmer gennem lederen, har en komponent vinkelret på dette felt. Det andet princip siger, at hvis en leder bevæges gennem et magnetfelt, vil enhver bevægelseskomponent vinkelret på dette felt generere en potentiel forskel mellem lederens ender.

Baseret på disse love består elmotorer af to hoveddele; En permanent magnet og en flok ledere viklet ind i en spole. Ved at anvende elektricitet på spolen bliver det til en magnet og baseret på det faktum, at magneter frastøder på samme poler og tiltrækker i modsat poler, opnås en rotationsbevægelse.

Børstet DC-motor

Den børstede jævnstrømsmotor er kendt for at være en af ​​de tidligste og enkleste motorer, da den implementerer lovene beskrevet ovenfor på den enkleste måde. Som beskrevet i billedet nedenfor består konstruktionen af ​​en børstet jævnstrømsmotor af en fast stator lavet af en permanent magnet og en bevægelig anker (Rotor), på hvilken komponenter som kommutator, børster og delt ring, som alle er placeret omkring motoren aksel.

Når der tilføres strøm til motoren (gennem batteri eller gennem en vekselstrøm til jævnstrøm, der er tilsluttet en kilde), strømmer elektricitet fra kilden til ankeret gennem børsterne, som normalt er placeret på modsatte sider af motorakslen. Børsterne (hvis tilstedeværelse i designet er en vigtig faktor bag motorens navn) overfører elektrisk strøm til ankeret gennem fysisk kontakt med kommutatoren. Så snart ankeret (trådspolen) får strøm, begynder det at opføre sig som en magnet, og på det tidspunkt begynder dets poler at afvise polerne på den permanente magnet, der udgør stator. Når polerne afviser, begynder motorakslen, som ankeret er fastgjort til, at rotere med et hastighed og drejningsmoment, der afhænger af styrken af ​​magnetfeltet omkring ankeret.

Styrken af ​​magnetfeltet er normalt en funktion af spændingen på børsterne og styrken af ​​den permanente magnet, der anvendes til statoren.

Børsteløse DC-motorer

Selvom de bruger det samme princip for elektromagnetisme, er børsteløse motorer på den anden side mere komplekse. De er et direkte resultat af bestræbelser på at forbedre effektiviteten af ​​børstede jævnstrømsmotorer og kan simpelthen beskrives som motorer, der ikke anvender børster til pendling. Imidlertid giver den beskrivende forenklede karakter plads til spørgsmål om, hvordan motoren får strøm, og hvordan bevægelse opnås uden børster, som jeg vil forsøge at forklare.

I modsætning til konstruktionen af ​​de børstede motorer vippes ting rundt i børsteløse motorer. Armaturet, der i tilfælde af den børstede motor roterer inden i statoren, er stationært i børsteløse motorer, og den permanente magnet, som i børstede motorer er fastgjort, fungerer som rotoren i en børsteløs motor. Kort sagt, statoren til børsteløse DC-motorer består af spoler, mens dens rotor (som motorakslen er fastgjort til) består af en permanent magnet.

Da børsteløs motor eliminerer brugen af ​​børster til at give strøm til ankeret, bliver omskiftningen (kommutering) mere kompleks og udføres elektronisk ved hjælp af et ekstra sæt elektroniske komponenter (som en forstærker udløst af en kommuterende komponent som en optisk indkoder) for at opnå bevægelse. Kommuteringsalgoritmer til børsteløse DC-motorer kan opdeles i to; Sensorbaseret og meningsløs kommutering.

I sensorbaseret kommutering placeres sensorer (f.eks. Hallsensor) langs motorens poler for at give feedback til kontrolkredsløbet for at hjælpe det med at estimere rotorpositionen. Der er tre populære algoritmer, der anvendes til sensorbaseret kommutering;

1. Trapesformet kommutation
2. Sinusformet kommutation
3. Vektor (eller feltorienteret) kontrol.

Hver af disse kontrolalgoritmer har sine fordele og ulemper, og algoritmerne kan implementeres på forskellige måder afhængigt af softwaren og designet af elektronikhardwaren for at foretage nødvendige ændringer.

I sensorløs kommutering er derimod kontrolkredsløbene designet til at måle den bageste EMF for at estimere rotorposition i stedet for at sensorer placeres inden i motorerne.

Denne algoritme fungerer godt og har en reduceret pris, da omkostningerne til hallsensorerne elimineres, men implementeringen er meget mere kompleks sammenlignet med de sensorbaserede algoritmer.

Fordel og ulemper

I børstede jævnstrømsmotorer er børsterne i konstant kontakt med den roterende kommutator. Dette fører til, at der genereres en betydelig mængde friktion, og dette fører igen til tab af energi til varme og gradvis slid på børsterne. Således har børstede jævnstrømsmotorer lav effektivitet og kræver periodisk vedligeholdelse. Dette skaber en masse friktion, og friktion er lig med varme (energitab) og slitage. Børsteløs DC på den anden side er i det væsentlige friktionsfri og har således virkelig høj effektivitet, kræver nul vedligeholdelse og holder længere end børstede DC-motorer.

Imidlertid er børstede jævnstrømsmotorer meget billige sammenlignet med deres børsteløse kolleger på grund af deres enkle karakter. Børsteløse jævnstrømsmotorer på den anden side er ret dyre på grund af deres komplekse design og de ekstra omkostninger ved de ekstra elektronikkomponenter (controllere), der kræves for at drive dem.

Ansøgninger

Mens børsteløse jævnstrømsmotorer er mere populære i disse dage, bruges børstede jævnstrømsmotorer stadig i daglige husholdningsapparater, legetøj til børn og i industrielle applikationer på grund af den lethed, hvormed forholdet mellem hastighed og drejningsmoment kan varieres. På grund af deres lave omkostninger bruges de i applikationer, hvor værtsenheden kan svigte før motorerne.

Børsteløse jævnstrømsmotorer har derimod fundet applikationer i alle slags enheder, lige fra medicinsk udstyr, robotter og droner til elbiler, elværktøj osv. De bruges hovedsageligt til applikationer, der kræver høj effektivitet, lang levetid og er prisen værd.

Faktorer, der skal overvejes, når du vælger mellem børsteløs og børstet DC-motor

Bortset fra hastighed, drejningsmoment, effekt og andre grundlæggende krav til din applikation nedenfor er tre faktorer, som jeg mener også kan være godt at overveje, når man træffer en beslutning om, hvilken motortype der skal installeres til din applikation.

1. Arbejdscyklus / levetid
2. Effektivitet
3. Kontrol / aktivering
4. Koste

Arbejdscyklus / levetid

Levetid beskriver, hvor længe motoren skal køre, før den svigter, og ved hvilken driftscyklus. Dette er vigtigt, fordi børstet jævnstrømsmotor som tidligere nævnt er modtagelig for slid på grund af friktionen mellem børsterne og kommutatoren. Det er således vigtigt at sikre, at applikationen er en, hvor motoren vil være funktionel i hele levetiden, eller en applikation, hvor service af motoren vil blive betragtet som normal og billig, hvis børstede jævnstrømsmotorer skal bruges. Et godt eksempel på dette er i legetøj til børn, hvor legetøjet normalt smides væk eller beskadiges, før motoren slides ud. I applikationer med lang levetid og service er motoren ikke en levedygtig mulighed, børsteløse DC-motorer er normalt den kloge mulighed.

Effektivitet

Generelt har børsteløse jævnstrømsmotorer en højere samlet effektivitet sammenlignet med børstede jævnstrømsmotorer, men der har været tilfælde af jernfri kernebørstede motorer med overlegen effektivitet sammenlignet med tilsvarende børsteløse motorer. Det er dog vigtigt at evaluere den samlede krævede effektivitet og sammenligne den med den for hver motor, før du træffer en beslutning. I de fleste tilfælde hvor effektivitet er den afgørende faktor, vinder børsteløse jævnstrømsmotorer normalt.

Kontrol / aktivering

Dette er normalt et af de største tilbageslag, når det kommer til brugen af ​​børsteløse jævnstrømsmotorer. De yderligere krav som f.eks. Controllere osv. Gør aktiveringen mere kompleks sammenlignet med børstede jævnstrømsmotorer, som kunne være drevet / aktiveret metoder så trivielle som at forbinde et batteri over dets terminaler. Du bør sikre, at mængden af ​​kompleksitet, der er involveret i brugen af ​​en børsteløs jævnstrømsmotor til projektet, er berettiget, og den understøttende elektronik som controllerne er let tilgængelig. Uanset enkelheden af ​​børstede jævnstrømsmotorer er de undertiden ikke egnede til applikationer med høj præcision. Mens børstet DC-motor let kan tilsluttes controlleren som Arduino, er det meget komplekst at forbinde en BLDC med Arduino Uno, dog ESC (Electronic Speed ​​Controller)) gør det nemmere at interface en BLDC med en mikrocontroller.

Koste

Kompleksiteten i designet af børsteløse jævnstrømsmotorer gør dem virkelig dyre sammenlignet med børstede jævnstrømsmotorer. Sørg for, at de ekstra omkostninger ligger inden for overkommelige grænser for projektet, inden du går til børsteløse DC-motorer. Overvej også omkostningerne ved det andet tilbehør, der kræves til brugen af ​​BLDC'er, inden du træffer en beslutning.