Harjatut ja harjattomat moottorit: käyttö, rakenne ja sovellukset

Sähkömoottoreista on tullut valtava osa elämäämme. Niitä löytyy kaikenlaisista laitteista sähköautoista droneihin, robotteihin ja muihin elektroniikkalaitteisiin. Yleisesti ottaen sähkömoottori on laite, joka muuntaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi. Niitä kutsutaan yleensä generaattoreiden päinvastaisiksi, koska ne toimivat samanlaisilla periaatteilla ja ne voidaan teoriassa muuntaa generaattoreiksi. Niitä käytetään lähinnä tilanteissa, joissa tarvitaan pyörimisliikettä, ja he löytävät sovelluksia laitteista (värähtelymoottorit), roboteista, lääketieteellisistä laitteista, leluista ja paljon muuta.

Sähkömoottorit voidaan luokitella kahteen laajaan luokkaan niiden käyttämän virtalähteen perusteella: vaihtomoottorit ja tasavirtamoottorit. Kuten nimestä käy ilmi, vaihtovirtamoottorit saavat virtansa yleensä vaihtovirtalähteistä (yksivaiheiset tai kolmivaiheiset) ja niitä käytetään enimmäkseen teollisuus- ja raskaissa sovelluksissa, joissa tarvitaan paljon vääntömomenttia. DC-moottorit (jotka ovat tänään keskitymme tänään) ovat toisaalta yleensä pienempiä ja niitä käytetään akkuihin (tai kytkettyihin DC-lähteisiin) perustuvissa sovelluksissa, joissa tarvitaan huomattavasti vähemmän työtä kuin AC-moottoreilla. He löytävät sovelluksia useista laitteista, muun muassa jokapäiväisistä laitteista, kuten parranajokoneet, lasten leluihin, robotteihin ja droneihin.

Tasavirta-moottoreita koskeva vaatimus eroaa sovelluksista toiseen, koska yksi sovellus voi vaatia suurempaa vääntömomenttia ja vähentää nopeutta, kun taas toinen voi vaatia enemmän nopeutta ja pienempää vääntöä, joten DC-moottorit luokitellaan toisinaan myyntihenkilöiden perusteella. Kuitenkin DC-moottorit voidaan jakaa kolmeen eri luokkaan tai tyyppejä, kuten;

1. Harjattu tasavirtamoottori
2. Harjattomat tasavirtamoottorit
3. Servomoottorit.

Tämän päivän artikkelissa keskitymme harjattomiin ja harjattuihin tasavirtamoottoreihin, kun tarkastelemme niiden välistä eroa toimintaperiaatteiden, rakentamisen, sovellusten, etujen ja haittojen mukaisesti. Kolmannen tyypin osalta voit käydä läpi Servo-moottorin yksityiskohtaisen artikkelin.

Toimintaperiaate ja rakenne

Kaikkien moottoreiden toiminta perustuu yleensä kahteen periaatteeseen ; Ampeerin laki ja Faradayn laki. Ensimmäinen laki todetaan, että sähköjohdin asetetaan magneettikenttään kokevat voimaa, jos jokin läpi virtaava johtimen on komponentti suorassa kulmassa tällä alalla. Toinen periaate todetaan, että jos johdin liikutetaan magneettikentän läpi, niin minkä tahansa komponentin liikkeen kohtisuoraan että kenttä luo potentiaalieron välillä johtimen päissä.

Näiden lakien perusteella sähkömoottorit koostuvat kahdesta pääosasta; Pysyvä magneetti ja joukko johtimia kääritään kelaan. Käyttämällä sähköä kelaan siitä tulee magneetti ja sillä perusteella, että magneetit hylkivät samankaltaisissa pylväissä ja houkuttelevat toisin kuin pylväät, saavutetaan kiertoliike.

Harjattu tasavirtamoottori

Harjatun tasavirtamoottorin tiedetään olevan yksi varhaisimmista ja yksinkertaisimmista moottoreista, koska se toteuttaa yllä kuvatut lait yksinkertaisimmalla tavalla. Kuten alla olevassa kuvassa on kuvattu, harjatun tasavirtamoottorin rakenne koostuu kiinteästä staattorista, joka on valmistettu kestomagneetista ja liikkuvasta ankkurista (roottori), jolle kaikki komponentit, kuten kommutaattori, harjat ja halkaisurengas, sijoitetaan kaikki moottorin ympärille. akseli.

Kun virtaa syötetään moottoriin (akun kautta tai pistorasiaan kytketyn vaihtovirta - tasavirta), sähkö virtaa lähteestä ankkuriin harjojen läpi, jotka yleensä sijaitsevat moottorin akselin vastakkaisilla puolilla. Harjat (joiden läsnäolo suunnittelussa on merkittävä tekijä moottorin nimen takana) siirtävät sähkövirtaa ankkuriin fyysisen kontaktin kautta kommutaattoriin. Heti kun ankkuri (lankakäämi) saa jännitteen, se alkaa käyttäytyä kuin magneetti ja siinä vaiheessa sen navat alkavat hylätä staattorin muodostavan kestomagneetin pylväitä. Kun pylväät työntyvät, moottorin akseli, johon ankkuri on kiinnitetty, alkaa pyöriä nopeudella ja vääntömomentilla, joka riippuu ankkurin ympärillä olevan magneettikentän voimakkuudesta.

Magneettikentän voimakkuus riippuu yleensä harjoissa käytetystä jännitteestä ja staattoriin käytetyn kestomagneetin voimasta.

Harjattomat tasavirtamoottorit

Vaikka harjattomat moottorit käyttävät samaa sähkömagneettisuuden periaatetta, ne ovat toisaalta monimutkaisempia. Ne ovat suoraa seurausta harjattujen tasavirtamoottorien tehokkuuden parantamiseksi, ja niitä voidaan yksinkertaisesti kuvata moottoreiksi, jotka eivät käytä harjoja kommutointiin. Tämän kuvauksen yksinkertaistettu luonne antaa kuitenkin aihetta kysymyksiin siitä, kuinka moottori saa virtaa ja miten liike saavutetaan ilman harjoja, jotka yritän selittää.

Toisin kuin harjattujen moottoreiden rakenne, harjattomissa moottoreissa asiat käännetään ympäri. Ankkuri, joka harjatun moottorin tapauksessa pyörii staattorin sisällä, on paikallaan harjattomissa moottoreissa ja kestomagneetti, joka harjattuissa moottoreissa on kiinteä, toimii roottorina harjattomassa moottorissa. Yksinkertaisesti sanottuna harjattomien tasavirtamoottoreiden staattori koostuu keloista, kun taas sen roottori (johon moottorin akseli on kiinnitetty) koostuu kestomagneetista.

Koska harjaton moottori eliminoi harjojen käytön ankkurin virran saamiseksi, kytkentä (kommutointi) muuttuu monimutkaisemmaksi ja se suoritetaan elektronisesti käyttämällä ylimääräisiä elektronisia komponentteja (kuten kommutointikomponentin, kuten optisen kooderin laukaisema vahvistin) liikkeen saavuttamiseksi.. Harjattomien tasavirtamoottoreiden kommutointialgoritmit voidaan jakaa kahteen; Anturipohjainen ja järjetön kommutointi.

Anturipohjaisessa kommutaatiossa anturit (esim. Hallianturi) sijoitetaan moottorin napoihin pitkin antamaan palautetta ohjauspiirille auttaakseen sitä arvioimaan roottorin asento. Anturipohjaiseen kommutointiin käytetään kolmea suosittua algoritmia;

1. Puolisuunnikkaan vaihtaminen
2. Sinimuotoinen kommutaatio
3. Vektori- (tai kenttäkeskeinen) ohjaus.

Jokaisella näistä ohjausalgoritmeista on hyvät ja huonot puolensa, ja algoritmit voidaan toteuttaa eri tavoin ohjelmistosta ja elektroniikkalaitteiston suunnittelusta riippuen tarvittavien muutosten tekemiseksi.

Anturittomassa kommutaatiossa toisaalta sen sijaan, että anturit sijoitettaisiin moottoreihin, ohjauspiiri on suunniteltu mittaamaan taka-EMF roottorin sijainnin arvioimiseksi.

Tämä algoritmi toimii melko hyvin ja on pienemmillä kustannuksilla, kun hall-antureiden kustannukset eliminoidaan, mutta sen toteutus on paljon monimutkaisempi kuin anturipohjaiset algoritmit.

Etu ja haitat

Harjattuissa tasavirtamoottoreissa harjat ovat jatkuvassa kosketuksessa pyörivän kommutaattorin kanssa. Tämä johtaa huomattavan määrän kitkan syntymiseen, mikä puolestaan ​​johtaa lämpöhäviöön ja harjojen asteittaiseen kulumiseen. Harjattujen tasavirtamoottoreiden hyötysuhde on siis heikko ja ne edellyttävät säännöllistä huoltoa. Tämä luo paljon kitkaa, ja kitka on yhtä suuri kuin lämpö (energian menetys) ja kuluminen. Harjaton tasavirta on toisaalta olennaisesti kitkaton ja siten todella tehokas, vaatii nolla huoltoa ja kestää kauemmin kuin harjatut tasavirtamoottorit.

Kuitenkin harjattu DC-moottorit ovat erittäin halpoja verrattuna niiden Harjaton kollegansa johtuu yksinkertaisesti luonteen suunnitteluun. Harjattomat tasavirtamoottorit ovat toisaalta melko kalliita monimutkaisen rakenteensa ja niiden käyttämiseen tarvittavien ylimääräisten elektroniikkakomponenttien (ohjainten) lisäkustannusten vuoksi.

Sovellukset

Vaikka harjattomat tasavirtamoottorit ovat nykyään suositumpia, harjattuja tasavirtamoottoreita käytetään edelleen päivittäisissä kodinkoneissa, lasten leluissa ja teollisissa sovelluksissa, koska niiden nopeuden ja vääntömomentin suhdetta voidaan helposti muuttaa. Alhaisen kustannuksensa vuoksi niitä käytetään sovelluksissa, joissa isäntälaite saattaa epäonnistua ennen moottoreita.

Toisaalta harjattomat tasavirtamoottorit ovat löytäneet sovelluksia kaikenlaisissa laitteissa, lääketieteellisistä laitteista, roboteista ja droneista sähköautoihin, sähkötyökaluihin jne. Niitä käytetään lähinnä sovelluksissa, jotka vaativat korkeaa hyötysuhdetta, pitkäikäisyyttä ja ovat kustannusten arvoisia.

Tekijät, jotka on otettava huomioon valittaessa harjattomat ja harjatut tasavirtamoottorit

Nopeuden, vääntömomentin, tehotason ja muiden sovelluksesi perusvaatimusten lisäksi kolme tekijää, jotka mielestäni voisivat olla hyvä ottaa huomioon, kun teet päätöksen sovelluksellesi asennettavasta moottorityypistä.

1. Käyttöaika / käyttöikä
2. Tehokkuus
3. Ohjaus / käyttö
4. Kustannus

Käyttöaika / käyttöikä

Käyttöikä kuvaa kuinka kauan moottorin on käytettävä ennen vikaantumista ja millä käyttöjaksolla. Tämä on tärkeää, koska aikaisemmin mainittu harjattu tasavirtamoottori on alttiina kulumiselle harjojen ja kommutaattorin välisen kitkan vuoksi. Siksi on tärkeää varmistaa, että sovellus on sellainen, jossa moottori on toimiva koko käyttöiän ajan, tai sovellus, jossa moottorin huoltoa pidetään normaalina ja edullisena, jos käytetään harjattuja tasavirtamoottoreita. Hyvä esimerkki tästä on lasten leluissa, joissa lelut yleensä heitetään pois tai vahingoittuvat ennen moottorin kulumista. Pitkän käyttöiän ja moottorin huolto ei ole käyttökelpoinen vaihtoehto, mutta harjattomat tasavirtamoottorit ovat yleensä viisas vaihtoehto.

Tehokkuus

Yleisesti, Harjaton DC-moottorit on suurempi kokonaishyötysuhde verrattuna harjattu DC- moottorit, mutta on tapauksia, rauta-pienempi ydin harjattu moottorit ylivoimainen hyötysuhde verrattuna yhtä Harjaton moottorit. On kuitenkin tärkeää arvioida vaadittu kokonaishyötysuhde ja verrata sitä kunkin moottorin tehoon ennen päätöksen tekemistä. Useimmissa tapauksissa, joissa hyötysuhde on ratkaiseva tekijä, harjattomat tasavirtamoottorit yleensä voittavat.

Ohjaus / käyttö

Tämä on yleensä yksi suurimmista takaiskuista harjattomien tasavirtamoottoreiden käytössä. Lisävaatimukset, kuten ohjaimet jne., Tekevät toiminnasta monimutkaisemman kuin harjatut tasavirtamoottorit, jotka voisivat olla virralla / toimivia menetelmiä yhtä triviaalia kuin akun liittäminen napojensa yli. Varmista, että harjattoman tasavirtamoottorin käyttö hankkeessa on perusteltua ja tukielektroniikka, kuten ohjaimet, ovat helposti saatavilla. Harjattujen tasavirtamoottorien yksinkertaisuudesta riippumatta ne eivät joskus sovellu erittäin tarkkoihin sovelluksiin. Vaikka harjattu tasavirtamoottori voidaan helposti liittää ohjaimeen, kuten Arduino, BLDC: n liittäminen Arduino Unoon on hyvin monimutkaista, mutta ESC (elektroninen nopeudensäädin)) helpottaa BLDC: n liittämistä mikrokontrolleriin.

Kustannus

Harjattomien tasavirtamoottorien suunnittelun monimutkaisuus tekee niistä todella kalliita verrattuna harjattuihin tasavirtamoottoreihin. Varmista, että lisäkustannukset ovat projektin kohtuuhintaisissa rajoissa, ennen kuin aloitat harjattomat tasavirtamoottorit. Ota huomioon myös muiden BLDC-laitteiden käyttöön tarvittavien lisävarusteiden hinta ennen päätöksen tekemistä.