Матови срещу безчеткови двигатели: експлоатация, конструкция и приложения

Електродвигателите станаха огромна част от живота ни. Те се намират във всякакви устройства от електрически автомобили до дронове, роботи и други електронни устройства. Най-общо казано, електрическият мотор е устройство, което преобразува електрическата енергия в механична. Те обикновено се наричат точно обратното на генераторите, тъй като те работят на сходни принципи и теоретично могат да бъдат превърнати в генератори. Те се използват по същество в ситуации, когато е необходимо ротационно движение и намират приложение в уреди (вибрационни двигатели), роботи, медицинско оборудване, играчки и много други.

Електрическите двигатели могат да бъдат категоризирани в две широки категории въз основа на вида източник на захранване, използван за тях: AC двигатели и DC двигатели. Както подсказва името, двигателите с променлив ток се захранват с помощта на източници на променлив ток (еднофазни или трифазни) и се използват най-вече в индустриални и тежки приложения, където се изисква много въртящ момент. Двигателите с постоянен ток (които са нашият фокус за днес), от друга страна, обикновено са по-малки и се използват в приложения, базирани на батерии (или включени в източници на постоянен ток), където се изисква значително по-малко работа в сравнение с двигатели с променлив ток. Те намират приложения в няколко устройства, вариращи от ежедневни устройства като машинки за бръснене до играчки за деца, роботи и дронове, наред с други.

Изискването за постояннотокови двигатели се различава от едно приложение до друго, тъй като едно приложение може да изисква повече въртящ момент и да намали скоростта, докато друго може да изисква повече скорост и намален въртящ момент, поради което двигателите с постоянен ток понякога се класифицират от продавачите въз основа на това. Въпреки това, постояннотокови двигатели могат да бъдат класифицирани в три различни категории или видове, включително;

Почистен DC двигател
Безчеткови постояннотокови двигатели
Серво мотори.

За днешната статия фокусът ни ще бъде върху безчетковите и четките двигатели с постоянен ток, тъй като разглеждаме разликата между тях по принцип на действие, конструкция, приложения, предимства и недостатъци. За третия тип можете да преминете през подробната статия на Servo Motor.

Принцип на работа и конструкция

Работата на всички двигатели обикновено се основава на два принципа, които са ; Законът на Ампер и законът на Фарадей. На първите закон гласи, че електрически проводник поставен в магнитно поле, то ще бъде по сила ако има ток, преминаващ през проводника има компонент под прав ъгъл към тази област. На втория принцип гласи, че ако един проводник се движи през магнитно поле, а след това всеки компонент на перпендикулярно на движението на тази област ще генерират потенциална разлика между краищата на проводника.

Въз основа на тези закони електрическите двигатели се състоят от две основни части; Постоянен магнит и куп проводници, навити в намотка. Чрез прилагане на електричество към бобината тя се превръща в магнит и въз основа на факта, че магнитите се отблъскват при подобни полюси и се привличат при различни полюси, се постига въртеливо движение.

Почистен DC двигател

Известно е, че двигателят с постоянен ток е един от най-ранните и най-прости двигатели, тъй като по най-простия начин прилага законите, описани по-горе. Както е описано на изображението по-долу, конструкцията на мотор с постоянен ток се състои от неподвижен статор, направен от постоянен магнит и движеща се арматура (ротор), върху която компоненти като комутатора, четките и разцепен пръстен, всички от които са поставени около двигателя вал.

Когато захранването се подава към двигателя (чрез батерия или чрез AC към DC включен източник), електричеството тече от източника към котвата през четките, които обикновено са разположени от противоположните страни на вала на двигателите. Четките (чието присъствие в конструкцията е основен фактор зад името на двигателя), предават електрически ток към котвата чрез физически контакт с комутатора. Веднага след като котвата (намотката от проводник) се захрани, тя започва да се държи като магнит и в този момент нейните полюси започват да отблъскват полюсите на постоянния магнит, който изгражда статора. Тъй като полюсите се отблъскват, валът на двигателя, към който е прикрепена котвата, започва да се върти със скорост и въртящ момент, които зависят от силата на магнитното поле около котвата.

Силата на магнитното поле обикновено е функция от напрежението, приложено върху четките, и силата на постоянния магнит, използван за статора.

Безчеткови постояннотокови двигатели

Въпреки че използват същия принцип на електромагнетизма, безчетковите двигатели, от друга страна, са по-сложни. Те са пряк резултат от усилията, положени за подобряване на ефективността на двигателите с постоянен ток и могат просто да бъдат описани като двигатели, които не приемат използването на четки за комутация. Опростеният характер на това описание отстъпва на въпросите как двигателят се задвижва и как се постига движение без четки, което ще се опитам да обясня.

Противно на конструкцията на двигателите с четка, при безчетковите двигатели нещата се преобръщат. Арматурата, която в случая на четкия мотор се върти в статора, е неподвижна в безчеткови двигатели, а постоянният магнит, който в четките двигатели е фиксиран, служи като ротор в безчетков двигател. Най-просто казано, статорът за безчеткови постояннотокови двигатели е изграден от намотки, докато роторът му (към който е прикрепен валът на двигателя) е съставен от постоянен магнит.

Тъй като безчетковият мотор елиминира използването на четки за осигуряване на захранване на котвата, превключването (комутацията) става по-сложно и се извършва по електронен път, като се използва допълнителен набор от електронни компоненти (като усилвател, задействан от комутиращ компонент като оптичен енкодер) за постигане на движение. Комутационните алгоритми за безчеткови постояннотокови двигатели могат да бъдат разделени на два; Сензорна и безсмислена комутация.

При комутация на базата на сензори, сензорите (напр. Сензор на Hall) са разположени по дължината на полюсите на двигателя, за да осигурят обратна връзка на управляващата верига, за да му помогнат да оцени положението на ротора. Има три популярни алгоритми, използвани за комутация на базата на сензори;

Трапецовидна комутация
Синусоидална комутация
Векторно (или ориентирано към полето) управление.

Всеки от тези алгоритми за управление има своите плюсове и минуси и алгоритмите могат да бъдат внедрени по различни начини в зависимост от софтуера и дизайна на електронния хардуер, за да се направят необходимите промени.

При безсензорна комутация от друга страна, вместо да се поставят сензори в двигателите, управляващата схема е проектирана да измерва задната ЕМП за оценка на положението на ротора.

Този алгоритъм се представя доста добре и е с намалени разходи, тъй като цената на сензорите на залата е елиминирана, но внедряването му е много по-сложно в сравнение със сензорните алгоритми.

Предимства и недостатъци

В четките постояннотокови двигатели четките са в постоянен контакт с въртящия се комутатор. Това води до генериране на значително количество триене и това от своя страна води до загуба на топлинна енергия и постепенно износване на четките. По този начин двигателите с постоянен ток с ниска ефективност имат ниска ефективност и изискват периодична поддръжка. Това създава много триене, а триенето се равнява на топлина (загуба на енергия) и износване. Безчетковите DC от друга страна са по същество без триене и по този начин имат наистина висока ефективност, изискват нулева поддръжка и издържат по-дълго от четките постояннотокови двигатели.

Въпреки това, двигателите с постоянен ток са много евтини в сравнение с техните безчеткови колеги поради простия характер на техния дизайн. Безчетковите постояннотокови двигатели от друга страна са доста скъпи поради сложния им дизайн и допълнителните разходи за допълнителните електронни компоненти (контролери), необходими за тяхното задвижване.

Приложения

Докато безчетковите двигатели с постоянен ток са по-популярни в наши дни, двигателите с постоянен ток все още се използват в ежедневните домакински уреди, детски играчки и в индустриални приложения поради лекотата, с която съотношението им между скорост и въртящ момент може да варира. Поради ниската си цена те се използват в приложения, при които хост устройството може да се повреди преди двигателите.

Безчетковите постояннотокови двигатели, от друга страна, са намерили приложение във всякакви устройства, от медицинско оборудване, роботи и безпилотни летателни апарати до електрически автомобили, електроинструменти и др.

Фактори, които трябва да се вземат предвид при избора между безчеткови и четки двигатели с постоянен ток

Освен скоростта, въртящият момент, номиналната мощност и други основни изисквания за вашето приложение по-долу са три фактора, които смятам, че също би било добре да се вземат предвид при вземане на решение за типа двигател, който да се използва за вашето приложение.

Работен цикъл / експлоатационен живот
Ефективност
Контрол / задействане
Разходи

Работен цикъл / експлоатационен живот

Срокът на експлоатация описва колко дълго двигателят трябва да работи преди отказ и при какъв работен цикъл. Това е важно, тъй като четките постояннотокови двигатели, както беше споменато по-рано, са податливи на износване поради триенето между четките и комутатора. Поради това е важно да се гарантира, че приложението е такова, при което двигателят ще функционира през целия експлоатационен живот, или приложение, при което обслужването на двигателя ще се счита за нормално и евтино, ако трябва да се използват четки постояннотокови двигатели. Добър пример за това са детските играчки, където играчките обикновено се изхвърлят или повреждат преди износването на мотора. При приложения с дълъг експлоатационен живот и обслужването на двигателя не е жизнеспособна опция, безчетковите постояннотокови двигатели обикновено са мъдрата опция.

Ефективност

Като цяло, безчетковите двигатели с постоянен ток имат по-висока обща ефективност в сравнение с двигателите с постоянен ток с четка, но има случаи на безчеткови двигатели с четка с по-добра ефективност в сравнение с еквивалентни безчеткови двигатели. Важно е обаче да се оцени общата необходима ефективност и да се сравни с тази на всеки двигател, преди да се вземе решение. В повечето случаи, когато ефективността е решаващият фактор, безчетковите DC двигатели обикновено печелят.

Контрол / задействане

Това обикновено е един от основните неуспехи, когато става въпрос за използването на безчеткови постояннотокови двигатели. Допълнителните изисквания като контролери и др., Правят задействането по-сложно в сравнение с това на четките постояннотокови двигатели, които могат да бъдат захранвани / задействани методи толкова тривиални, колкото свързването на батерия през нейните клеми. Трябва да се уверите, че сложността, свързана с използването на безчетков постояннотоков двигател за проекта, е оправдана и поддържащата електроника като контролерите е лесно достъпна. Независимо от простотата на двигателите с постоянен ток, те понякога не са подходящи за приложения с висока точност. Докато двигателят с постоянен ток може лесно да бъде свързан към контролера като Arduino, много е сложно да свържете BLDC с Arduino Uno, но ESC (електронен контролер на скоростта) улеснява свързването на BLDC с микроконтролер.

Разходи

Сложността на дизайна на безчетковите постояннотокови двигатели ги прави наистина скъпи в сравнение с четките постояннотокови двигатели. Уверете се, че допълнителните разходи са в рамките на допустимите граници за проекта, преди да се насочите към безчеткови постояннотокови двигатели. Също така помислете за цената на другите аксесоари, необходими за използването на BLDC, преди да вземете решение.