Motoare periate vs fără perii: funcționare, construcție și aplicații

Motoarele electrice au devenit o parte imensă a vieții noastre. Acestea se găsesc în tot felul de dispozitive, de la mașini electrice la drone, roboți și alte dispozitive electronice. În termeni generali, un motor electric este un dispozitiv care convertește energia electrică în energie mecanică. De obicei, acestea sunt denumite exact opusul generatoarelor, deoarece funcționează pe principii similare și teoretic pot fi transformate în generatoare. Acestea sunt utilizate în esență în situații în care este necesară mișcarea de rotație și găsesc aplicații în aparate (motoare cu vibrații), roboți, echipamente medicale, jucării și multe altele.

Motoarele electrice pot fi clasificate în două mari categorii pe baza tipului de sursă de energie utilizată pentru acestea: motoare de curent alternativ și motoare de curent continuu. După cum sugerează și numele, motoarele de curent alternativ sunt alimentate generic folosind surse de alimentare de curent alternativ (monofazate sau trifazate) și sunt utilizate mai ales în aplicații industriale și grele în care este necesar un cuplu ridicat. Motoarele de curent continuu (care ne concentrează astăzi), pe de altă parte, sunt de obicei mai mici și sunt utilizate în aplicații bazate pe baterii (sau conectate la surse de curent continuu) în care este necesară o cantitate semnificativ mai mică de muncă în comparație cu motoarele de curent alternativ. Găsesc aplicații în mai multe dispozitive, de la dispozitive de zi cu zi, cum ar fi tăietoare de bărbierit, jucării pentru copii, roboți și drone, printre altele.

Cerința pentru motoarele de curent continuu diferă de la o aplicație la alta, întrucât o aplicație poate necesita mai mult cuplu și reduce viteza, în timp ce alta poate necesita mai multă viteză și cuplu redus, astfel motoarele de curent continuu sunt uneori clasificate de către oamenii de vânzări pe baza acestui lucru. Cu toate acestea, motoarele de curent continuu pot fi clasificate în trei categorii sau tipuri diferite, inclusiv;

1. Motor DC periat
2. Motoare DC fără perii
3. Servomotoare.

Pentru articolul de astăzi, accentul nostru va fi pe motoarele Brushless și Brush DC, pe măsură ce examinăm diferența dintre ele de-a lungul liniilor de principiu de funcționare, Construcție, aplicații, avantaje și dezavantaje. Pentru al treilea tip, puteți consulta articolul detaliat al Servomotorului.

Principiul de funcționare și construcția

Funcționarea tuturor motoarelor se bazează în general pe două principii care sunt ; Legea amperilor și legea faraday. În primele state de drept că un conductor electric plasat într - un câmp magnetic va experimenta o forță în cazul în care orice curent care curge prin conductorul are o componentă în unghi drept în acest domeniu. Al doilea principiu afirmă că, dacă un conductor este deplasat printr-un câmp magnetic, atunci orice componentă de mișcare perpendiculară pe acel câmp va genera o diferență de potențial între capetele conductorului.

Pe baza acestor legi, motoarele electrice cuprind două părți principale; Un magnet permanent și o grămadă de conductori înfășurați într-o bobină. Prin aplicarea energiei electrice pe bobină, acesta devine un magnet și, pe baza faptului că magneții se resping la polii asemănători și atrag diferiți poli, se realizează o mișcare de rotație.

Motor DC periat

Motorul cu curent continuu periat este cunoscut a fi unul dintre cele mai vechi și mai simple motoare, deoarece pune în aplicare legile descrise mai sus în cel mai simplu mod. Așa cum este descris în imaginea de mai jos, construcția unui motor de curent continuu periat cuprinde un stator fix realizat dintr-un magnet permanent și o armătură în mișcare (rotor) pe care componente cum ar fi comutatorul, periile și inelul despicat, toate acestea sunt plasate în jurul motorului arbore.

Atunci când se furnizează energie motorului (prin baterie sau printr-o sursă de curent alternativ la curent continuu conectată), curentul electric curge de la sursă la armătură prin periile care sunt de obicei situate pe părțile opuse ale arborelui motoarelor. Periile (a căror prezență în proiectare este un factor major în spatele numelui motorului), transferă curent electric în armătură prin contactul fizic cu comutatorul. De îndată ce armătura (bobina de sârmă) este energizată, ea începe să se comporte ca un magnet și în acel moment polii săi încep să respingă polii magnetului permanent care alcătuiește statorul. Pe măsură ce polii se resping, arborele motorului de care este atașat armătura începe să se rotească cu o viteză și un cuplu care depinde de puterea câmpului magnetic din jurul armăturii.

Puterea câmpului magnetic este de obicei o funcție a tensiunii aplicate la perii și a puterii magnetului permanent utilizat pentru stator.

Motoare DC fără perii

Chiar dacă utilizează același principiu al electromagnetismului, motoarele fără perii, pe de altă parte, sunt mai complexe. Acestea sunt rezultatul direct al eforturilor depuse pentru a îmbunătăți eficiența motoarelor cu curent continuu periat și pot fi descrise simplu ca motoare care nu adoptă utilizarea periilor pentru comutare. Cu toate acestea, natura simplistă a acestei descrieri face loc întrebărilor cu privire la modul în care motorul este alimentat și cum se realizează mișcarea fără perii, pe care voi încerca să le explic.

Spre deosebire de construcția motoarelor periate, la motoarele fără perii lucrurile sunt răsturnate. Armătura care, în cazul motorului periat, se rotește în interiorul statorului, este staționară în motoarele fără perii și magnetul permanent, care în motoarele periate este fix, servește ca rotor într-un motor fără perii. Pur și simplu, statorul pentru motoarele de curent continuu fără perii este alcătuit din bobine, în timp ce rotorul său (de care este atașat arborele motorului) este alcătuit dintr-un magnet permanent.

Deoarece motorul fără perii elimină utilizarea periilor pentru a furniza energie armăturii, comutarea (comutarea) devine mai complexă și se realizează electronic folosind un set suplimentar de componente electronice (cum ar fi un amplificator declanșat de o componentă de comutare ca un codificator optic) pentru a realiza mișcarea. Algoritmii de comutare pentru motoarele fără curent continuu pot fi împărțite în două; Comutare bazată pe senzori și fără sens.

În comutația bazată pe senzori, senzorii (de exemplu, senzorul de hol) sunt așezați de-a lungul polilor motorului pentru a oferi feedback circuitelor de control pentru a-l ajuta să estimeze poziția rotorului. Există trei algoritmi populari utilizați pentru comutarea bazată pe senzori;

1. Comutarea trapezoidală
2. Comutarea sinusoidală
3. Control vectorial (sau orientat pe câmp).

Fiecare dintre acești algoritmi de control are avantajele și dezavantajele sale, iar algoritmii pot fi implementați în moduri diferite, în funcție de software și de proiectarea hardware-ului electronic pentru a face modificările necesare.

Pe de altă parte, la comutarea fără senzori, în loc să fie amplasați senzori în motoare, circuitele de comandă sunt concepute pentru a măsura EMF din spate pentru a estima poziția rotorului.

Acest algoritm funcționează destul de bine și are un cost redus, deoarece costul senzorilor de sală este eliminat, dar implementarea sa este mult mai complexă în comparație cu algoritmii bazați pe senzori.

Avantaj și dezavantaje

La motoarele cu curent continuu periat, periile sunt în contact constant cu comutatorul rotativ. Acest lucru duce la generarea unei cantități considerabile de frecare și acest lucru duce la pierderea de energie la căldură și uzura treptată a periilor. Astfel, motoarele cu curent continuu periat au o eficiență redusă și necesită întreținere periodică. Acest lucru creează o mulțime de frecare, iar fricțiunea este egală cu căldura (pierderea de energie) și uzura. DC, fără perii, pe de altă parte, sunt în esență fără frecare și au astfel o eficiență foarte mare, necesită întreținere zero și durează mai mult decât motoarele DC periate.

Cu toate acestea, motoarele DC periate sunt foarte ieftine în comparație cu omologii lor fără perii, datorită naturii simple a designului lor. Pe de altă parte, motoarele de curent continuu fără perii sunt destul de scumpe datorită designului lor complex și a costului suplimentar al componentelor electronice suplimentare (controlere) necesare pentru acționarea lor.

Aplicații

În timp ce motoarele de curent continuu fără perii sunt mai populare în zilele noastre, motoarele de curent continuu periate sunt încă utilizate în aparatele electrocasnice de zi cu zi, jucăriile pentru copii și în aplicații industriale datorită ușurinței cu care raportul lor de viteză la cuplu poate fi variat. Datorită costului redus, acestea sunt utilizate în aplicații în care dispozitivul gazdă ar putea defecta înainte de motoare.

Motoarele de curent continuu fără perii, pe de altă parte, au găsit aplicații în tot felul de dispozitive, de la echipamente medicale, roboți și drone la mașini electrice, scule electrice etc. Acestea sunt utilizate în esență în aplicații care necesită eficiență ridicată, longevitate și merită costul.

Factori care trebuie luați în considerare atunci când alegeți între motoarele fără perii și motoarele de curent continuu

În afară de viteză, cuplu, putere nominală și alte cerințe de bază pentru aplicația dvs. de mai jos sunt trei factori care consider că ar putea fi, de asemenea, bine de luat în considerare atunci când iau o decizie cu privire la tipul de motor de implementat pentru aplicația dvs.

1. Ciclul de serviciu / Durata de viață
2. Eficienţă
3. Control / Acționare
4. Cost

Ciclul de serviciu / Durata de viață

Durata de viață descrie cât timp trebuie să funcționeze motorul înainte de defecțiune și la ce ciclu de funcționare. Acest lucru este important deoarece motorul DC periat așa cum s-a menționat anterior este susceptibil de uzură datorită fricțiunii dintre perii și comutator. Astfel, este important să vă asigurați că aplicația este una în care motorul va fi funcțional pe toată durata de viață sau o aplicație în care întreținerea motorului va fi considerată normală și ieftină dacă se vor folosi motoare cu curent continuu. Un bun exemplu în acest sens este jucăriile pentru copii, în care jucăriile sunt de obicei aruncate sau deteriorate înainte ca motorul să se uzeze. În aplicațiile cu durată de viață lungă și întreținerea motorului nu este o opțiune viabilă, motoarele de curent continuu fără perii sunt de obicei opțiunea înțeleaptă.

Eficienţă

În general, motoarele de curent continuu fără perii au o eficiență generală mai mare comparativ cu motoarele de curent continuu, dar au existat cazuri de motoare cu perii fără fier, cu eficiență superioară, comparativ cu motoarele fără perii echivalente. Cu toate acestea, este important să evaluați eficiența generală necesară și să o comparați cu cea a fiecărui motor înainte de a lua o decizie. În majoritatea cazurilor în care eficiența este factorul decisiv, motoarele de curent continuu fără perii câștigă de obicei.

Control / Acționare

Acesta este de obicei unul dintre cele mai mari obstacole atunci când vine vorba de utilizarea motoarelor de curent continuu fără perii. Cerințele suplimentare, cum ar fi controlerele etc., fac acționarea mai complexă în comparație cu cea a motoarelor de curent continuu care ar putea fi alimentate / acționate metode la fel de banale precum conectarea unei baterii la bornele sale. Ar trebui să vă asigurați că complexitatea implicată în utilizarea unui motor de curent continuu fără perii pentru proiect este justificată și electronica de susținere, precum controlerele, este disponibilă imediat. Indiferent de simplitatea motoarelor de curent continuu, acestea nu sunt uneori potrivite pentru aplicații de înaltă precizie. În timp ce motorul DC periat poate fi ușor conectat la controler, cum ar fi Arduino, este mult mai complex să conectați un BLDC cu Arduino Uno, totuși ESC (Electronic Speed ​​Controller)) face mai ușoară interfața unui BLDC cu un microcontroler.

Cost

Complexitatea proiectării motoarelor de curent continuu fără perii le face foarte scumpe în comparație cu motoarele de curent continuu periate. Asigurați-vă că costurile suplimentare se încadrează în limite accesibile pentru proiect înainte de a merge pentru motoarele de curent continuu fără perii. De asemenea, luați în considerare costul celorlalte accesorii necesare pentru utilizarea BLDC-urilor înainte de a lua o decizie.