Borstade mot borstlösa motorer: drift, konstruktion och applikationer

Elmotorer har blivit en stor del av våra liv. De finns i alla slags enheter från elbilar till drönare, robotar och andra elektroniska enheter. Generellt sett är en elektrisk motor en anordning som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi. De kallas vanligtvis exakt motsatsen till generatorer eftersom de arbetar på liknande principer och teoretiskt kan omvandlas till generatorer. De används i huvudsak i situationer där rotationsrörelse behövs och de hittar applikationer i apparater (vibrationsmotorer), robotar, medicinsk utrustning, leksaker och mycket mer.

Elmotorer kan kategoriseras i två breda kategorier baserat på vilken typ av strömkälla som används för dem: AC-motorer och DC-motorer. Som namnet antyder, växelströmsmotorer generiskt drivs med AC-strömkällor (enfas eller trefas) och används mest i industriell och tunga tillämpningar där det krävs en hel del vridmoment. Likströmsmotorer (som är vårt fokus för idag) är å andra sidan vanligtvis mindre och används i batteribaserade applikationer (eller inkopplade likströmskällor) där det krävs betydligt mindre arbete jämfört med växelströmsmotorer. De hittar applikationer i flera enheter som sträcker sig från vardagliga enheter som rakklippare till leksaker för barn, robotar och drönare bland andra.

Kravet på likströmsmotorer skiljer sig från en applikation till en annan, eftersom en applikation kan kräva mer vridmoment och minska hastigheten medan en annan kan kräva mer hastighet och reducerat vridmoment, vilket innebär att likströmsmotorer ibland klassificeras av säljare baserat på detta. Dock kan likströmsmotorer delas in i tre olika kategorier eller typer inklusive,

1. Borstad likströmsmotor
2. Borstlösa DC-motorer
3. Servomotorer.

För dagens artikel kommer vårt fokus att vara på borstlösa och borstade likströmsmotorer, när vi undersöker skillnaden mellan dem i linje med principerna för drift, konstruktion, applikationer, fördelar och nackdelar. För den tredje typen kan du gå igenom den detaljerade artikeln om Servo Motor.

Driftprincip och konstruktion

Driften av alla motorer baseras i allmänhet på två principer som är ; Amperes lag och faradays lag. Den första lagen säger att en elektrisk ledare placerad i ett magnetfält kommer att uppleva en kraft om någon ström som strömmar genom ledaren har en komponent i rät vinkel mot det fältet. Den andra principen säger att om en ledare förflyttas genom ett magnetfält, så kommer varje rörelsekomponent vinkelrätt mot det fältet att generera en potentialskillnad mellan ledarnas ändar.

Baserat på dessa lagar består elmotorer av två huvuddelar; En permanent magnet och ett gäng ledare lindade in i en spole. Genom att applicera elektricitet på spolen blir det en magnet och baserat på det faktum att magneter stöter bort vid samma poler och attraherar i motsatta poler uppnås en rotationsrörelse.

Borstad likströmsmotor

Den borstade likströmsmotorn är känd för att vara en av de tidigaste och enklaste motorerna eftersom den implementerar lagarna som beskrivs ovan på det enklaste sättet. Som beskrivs i bilden nedan består konstruktionen av en borstad likströmsmotor av en fast stator gjord av en permanentmagnet och en rörlig armatur (Rotor) på vilken komponenter som kommutatorn, borstar och delad ring som alla är placerade runt motorn axel.

När ström försörjs till motorn (genom batteri eller via en växelström till likström som är inkopplad i källan) strömmar elektricitet från källan till ankaret genom borstarna som vanligtvis finns på motsatta sidor om motoraxeln. Borstarna (vars närvaro i designen är en viktig faktor bakom motorns namn) överför elektrisk ström till ankaret genom fysisk kontakt med kommutatorn. Så snart ankaret (trådens spole) aktiveras börjar det bete sig som en magnet och vid den tidpunkten börjar dess poler att avvisa polerna på den permanenta magneten som utgör statorn. När polerna stöter bort börjar motoraxeln till vilken ankaret är fäst att rotera med ett varvtal och vridmoment som beror på styrkan hos magnetfältet runt ankaret.

Magnetfältets styrka är vanligtvis en funktion av spänningen som appliceras på borstarna och styrkan hos den permanenta magneten som används för statorn.

Borstlösa DC-motorer

Även om de använder samma elektromagnetiska princip är borstlösa motorer å andra sidan mer komplexa. De är ett direkt resultat av ansträngningar som görs för att förbättra effektiviteten hos borstade likströmsmotorer och kan enkelt beskrivas som motorer som inte använder borstar för pendling. Den beskrivningens enkla karaktär ger emellertid plats för frågor om hur motorn drivs och hur rörelse uppnås utan borstar som jag kommer att försöka förklara.

I motsats till konstruktionen av de borstade motorerna snurras saker runt. Ankaret som i fallet med den borstade motorn roterar inuti statorn är stillastående i borstlösa motorer och den permanenta magneten, som i borstade motorer är fixerad, fungerar som rotorn i en borstlös motor. Enkelt uttryckt består statorn för borstlösa likströmsmotorer av spolar medan rotorn (till vilken motoraxeln är fäst) består av en permanentmagnet.

Eftersom borstlös motor eliminerar användningen av borstar för att ge kraft till ankaret blir omkopplingen (kommuteringen) mer komplex och utförs elektroniskt med hjälp av ytterligare uppsättning elektroniska komponenter (som en förstärkare utlöst av en kommuterande komponent som en optisk kodare) för att uppnå rörelse. Kommuteringsalgoritmer för borstlösa likströmsmotorer kan delas i två; Sensorbaserad och meningslös pendling.

Vid sensorbaserad pendling placeras sensorer (t.ex. hallsensor) längs motorns poler för att ge feedback till styrkretsarna för att hjälpa den att uppskatta rotorposition. Det finns tre populära algoritmer som används för sensorbaserad pendling;

1. Trapesformad pendling
2. Sinusformad pendling
3. Vektor (eller fältorienterad) kontroll.

Var och en av dessa kontrollalgoritmer har sina fördelar och nackdelar och algoritmerna kan implementeras på olika sätt beroende på programvaran och designen av elektronikhårdvaran för att göra nödvändiga ändringar.

I sensorfri pendling å andra sidan, istället för att sensorer placeras i motorerna, är styrkretsarna utformade för att mäta den bakre EMF för att uppskatta rotorposition.

Denna algoritm fungerar ganska bra och har en lägre kostnad eftersom kostnaden för hallsensorer elimineras men dess implementering är mycket mer komplex jämfört med sensorbaserade algoritmer.

Fördelar och nackdelar

I borstade likströmsmotorer är borstarna i konstant kontakt med den roterande kommutatorn. Detta leder till att en betydande mängd friktion genereras och detta leder i sin tur till förlust av energi till värme och gradvis slitage på borstarna. Således har borstade likströmsmotorer låg verkningsgrad och kräver periodiskt underhåll. Detta skapar mycket friktion och friktion är lika med värme (energiförlust) och slitage. Borstlös likström å andra sidan är i huvudsak friktionsfri och har därför riktigt hög effektivitet, kräver inget underhåll och håller längre än borstade likströmsmotorer.

Men är borstat likströmsmotorer mycket billigt jämfört med sina borstlösa motsvarigheter på grund av den enkla grund av sin konstruktion. Borstlösa likströmsmotorer är å andra sidan ganska dyra på grund av deras komplexa design och den extra kostnaden för de ytterligare elektronikkomponenterna (styrenheterna) som krävs för att driva dem.

Applikationer

Medan borstlösa likströmsmotorer är mer populära idag används borstade likströmsmotorer fortfarande i dagliga hushållsapparater, barnleksaker och i industriella applikationer på grund av hur enkelt deras hastighet till vridmomentförhållande kan varieras. På grund av sin låga kostnad används de i applikationer där värdenheten kan gå sönder före motorerna.

Borstlösa likströmsmotorer har å andra sidan hittat applikationer i alla slags apparater, från medicinsk utrustning, robotar och drönare till elbilar, elverktyg etc. De används huvudsakligen i applikationer som kräver hög effektivitet, livslängd och är värda kostnaden.

Faktorer att tänka på när du väljer mellan borstlösa och borstade likströmsmotorer

Bortsett från hastighet, vridmoment, effekt och andra grundläggande krav för din applikation nedan är tre faktorer som jag anser kan vara bra att tänka på när man fattar ett beslut om vilken typ av motor som ska användas för din applikation.

1. Driftscykel / livslängd
2. Effektivitet
3. Kontroll / manövrering
4. Kosta

Driftscykel / livslängd

Livslängd beskriver hur länge motorn ska fungera innan den går sönder och vid vilken arbetscykel. Detta är viktigt eftersom borstad likströmsmotor som tidigare nämnts är mottaglig för slitage på grund av friktionen mellan borstarna och kommutatorn. Det är därför viktigt att säkerställa att applikationen är en där motorn kommer att fungera under hela livslängden eller en applikation där service av motorn kommer att anses vara normal och billig om borstade likströmsmotorer ska användas. Ett bra exempel på detta är i leksaker för barn, där leksakerna vanligtvis kastas eller skadas innan motorn slits ut. I applikationer med lång livslängd och service är motorn inte ett genomförbart alternativ, borstlösa likströmsmotorer är vanligtvis det kloka alternativet.

Effektivitet

Generellt har borstlösa likströmsmotorer en högre totaleffektivitet jämfört med borstade likströmsmotorer men det har förekommit fall av borstfria kärnborstade motorer med överlägsen effektivitet jämfört med motsvarande borstlösa motorer. Det är dock viktigt att utvärdera den totala effektiviteten som krävs och jämföra den med varje motor innan du fattar ett beslut. I de flesta fall där effektivitet är den avgörande faktorn vinner borstlösa likströmsmotorer vanligtvis.

Kontroll / manövrering

Detta är vanligtvis ett av de största motgångarna när det gäller användning av borstlösa likströmsmotorer. De ytterligare kraven som styrenheter etc. gör manövreringen mer komplex jämfört med borstade likströmsmotorer som kan drivas / aktiveras metoder lika triviala som att ansluta ett batteri över dess terminaler. Du bör se till att den komplexitet som är involverad i att använda en borstlös likströmsmotor för projektet är berättigad och att stödjande elektronik som styrenheterna är lättillgängliga. Oavsett enkelheten hos borstade likströmsmotorer är de ibland inte lämpliga för applikationer med hög precision. Medan borstad likströmsmotor enkelt kan anslutas till styrenheten som Arduino, är det mycket komplicerat att ansluta en BLDC med Arduino Uno, dock ESC (Electronic Speed ​​Controller) gör det lättare att ansluta en BLDC med en mikrokontroller.

Kosta

Komplexiteten i konstruktionen av borstlösa likströmsmotorer gör dem riktigt dyra jämfört med borstade likströmsmotorer. Se till att de extra kostnaderna ligger inom rimliga gränser för projektet innan du går till borstlösa likströmsmotorer. Tänk också på kostnaden för andra tillbehör som krävs för användning av BLDC innan du fattar ett beslut.