Κινητήρες βουρτσισμένοι έναντι χωρίς ψήκτρες: λειτουργία, κατασκευή και εφαρμογές

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες έχουν γίνει τεράστιο κομμάτι της ζωής μας. Βρίσκονται σε όλες τις συσκευές από ηλεκτρικά αυτοκίνητα έως drone, ρομπότ και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές. Σε γενικές γραμμές, ένας ηλεκτρικός κινητήρας είναι μια συσκευή που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια. Συνήθως αναφέρονται ως το ακριβώς αντίθετο των γεννητριών καθώς λειτουργούν με παρόμοιες αρχές και θεωρητικά μπορούν να μετατραπούν σε γεννήτριες. Χρησιμοποιούνται ουσιαστικά σε καταστάσεις όπου απαιτείται περιστροφική κίνηση και βρίσκουν εφαρμογές σε συσκευές (κινητήρες δόνησης), ρομπότ, ιατρικές συσκευές, παιχνίδια και πολλά άλλα.

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο ευρείες κατηγορίες με βάση το είδος της πηγής ισχύος που χρησιμοποιείται για αυτούς: AC Motors και DC Motors. Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος τροφοδοτούνται γενικά χρησιμοποιώντας πηγές ισχύος εναλλασσόμενου ρεύματος (μονοφασικό ή τριφασικό) και χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον σε βιομηχανικές και βαριές εφαρμογές όπου απαιτείται πολλή ροπή. Οι κινητήρες DC (που είναι το επίκεντρο μας σήμερα) από την άλλη πλευρά είναι συνήθως μικρότεροι και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που βασίζονται σε μπαταρίες (ή είναι συνδεδεμένες σε πηγές DC) όπου απαιτείται σημαντικά μικρότερη ποσότητα εργασίας σε σύγκριση με τους κινητήρες AC. Βρίσκουν εφαρμογές σε διάφορες συσκευές, από καθημερινές συσκευές, όπως ξυριστικές μηχανές έως παιχνίδια για παιδιά, ρομπότ και drones, μεταξύ άλλων.

Η απαίτηση για κινητήρες DC διαφέρει από τη μία εφαρμογή στην άλλη, καθώς μια εφαρμογή μπορεί να απαιτεί περισσότερη ροπή και μείωση της ταχύτητας, ενώ μια άλλη μπορεί να απαιτεί περισσότερη ταχύτητα και μειωμένη ροπή, επομένως οι κινητήρες DC ταξινομούνται μερικές φορές από τους πωλητές με βάση αυτό. Ωστόσο, οι κινητήρες DC μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες ή τύπους όπως:

1. Brushed DC Motor
2. Μοτέρ DC χωρίς ψήκτρες
3. Servo Motors.

Για το σημερινό άρθρο, η εστίασή μας θα είναι στους κινητήρες Brushless και Brushed DC, καθώς εξετάζουμε τη διαφορά μεταξύ τους σύμφωνα με τις αρχές της λειτουργίας, της κατασκευής, των εφαρμογών, των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων. Για τον τρίτο τύπο, μπορείτε να διαβάσετε το αναλυτικό άρθρο του Servo Motor.

Αρχή λειτουργίας και κατασκευή

Η λειτουργία όλων των κινητήρων βασίζεται γενικά σε δύο αρχές που είναι : Ο νόμος των Αμπέρ και ο νόμος των faraday. Ο πρώτος νόμος ορίζει ότι ένας ηλεκτρικός αγωγός τοποθετημένος σε ένα μαγνητικό πεδίο θα βιώσει μια δύναμη εάν οποιοδήποτε ρεύμα που ρέει μέσω του αγωγού έχει ένα στοιχείο σε ορθή γωνία προς αυτό το πεδίο. Η δεύτερη αρχή δηλώνει ότι εάν ένας αγωγός κινείται μέσω ενός μαγνητικού πεδίου, τότε οποιοδήποτε στοιχείο κίνησης κάθετο προς αυτό το πεδίο θα δημιουργήσει μια πιθανή διαφορά μεταξύ των άκρων του αγωγού.

Με βάση αυτούς τους νόμους, οι ηλεκτρικοί κινητήρες αποτελούνται από δύο κύρια μέρη. Ένας μόνιμος μαγνήτης και μια δέσμη αγωγών που τυλίγονται σε ένα πηνίο. Εφαρμόζοντας ηλεκτρική ενέργεια στο πηνίο γίνεται μαγνήτης και βασίζεται στο γεγονός ότι οι μαγνήτες απωθούν στους ίδιους πόλους και προσελκύουν σε αντίθετους πόλους, επιτυγχάνεται περιστροφική κίνηση.

Brushed DC Motor

Ο βουρτσισμένος κινητήρας DC είναι γνωστό ότι είναι ένας από τους πρώτους και απλούστερους κινητήρες καθώς εφαρμόζει τους νόμους που περιγράφονται παραπάνω με τον απλούστερο τρόπο. Όπως περιγράφεται στην παρακάτω εικόνα, η κατασκευή ενός βουρτσισμένου κινητήρα DC αποτελείται από έναν σταθερό στάτορα κατασκευασμένο από μόνιμο μαγνήτη και έναν κινούμενο οπλισμό (Rotor) στον οποίο εξαρτήματα όπως ο μετατροπέας, οι βούρτσες και ο διαχωρισμένος δακτύλιος, όλα τοποθετούνται γύρω από τον κινητήρα άξονας.

Όταν παρέχεται τροφοδοσία στον κινητήρα (μέσω μπαταρίας ή μέσω τροφοδοσίας AC σε DC), η ηλεκτρική ενέργεια ρέει από την πηγή στον οπλισμό μέσω των βουρτσών που συνήθως βρίσκονται σε αντίθετες πλευρές του άξονα του κινητήρα. Οι βούρτσες (των οποίων η παρουσία στο σχεδιασμό είναι ένας σημαντικός παράγοντας πίσω από το όνομα του κινητήρα), μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα στον οπλισμό μέσω φυσικής επαφής με τον μεταγωγέα. Μόλις ενεργοποιηθεί ο οπλισμός (το πηνίο του σύρματος), αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης και σε αυτό το σημείο οι πόλοι του αρχίζουν να απωθούν τους πόλους του μόνιμου μαγνήτη που αποτελεί τον στάτορα. Καθώς οι πόλοι απωθούν, ο άξονας κινητήρα στον οποίο είναι προσαρτημένος ο οπλισμός αρχίζει να περιστρέφεται με ταχύτητα και ροπή που εξαρτάται από την ισχύ του μαγνητικού πεδίου γύρω από το οπλισμό.

Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου είναι συνήθως συνάρτηση της τάσης που εφαρμόζεται στις βούρτσες και της ισχύος του μόνιμου μαγνήτη που χρησιμοποιείται για τον στάτορα.

Μοτέρ DC χωρίς ψήκτρες

Παρόλο που χρησιμοποιούν την ίδια αρχή ηλεκτρομαγνητισμού, οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες από την άλλη πλευρά είναι πιο περίπλοκοι. Αποτελούν άμεσο αποτέλεσμα των προσπαθειών που καταβάλλονται για τη βελτίωση της απόδοσης των κινητήρων Brushed DC και μπορούν απλά να περιγραφούν ως κινητήρες που δεν υιοθετούν τη χρήση πινέλων για μετακίνηση. Ωστόσο, η απλοϊκή φύση αυτής της περιγραφής δίνει τη δυνατότητα σε ερωτήσεις σχετικά με το πώς ο κινητήρας ενεργοποιείται και πώς επιτυγχάνεται η κίνηση χωρίς πινέλα που θα προσπαθήσω να εξηγήσω.

Σε αντίθεση με την κατασκευή των βουρτσισμένων κινητήρων, Σε κινητήρες χωρίς ψήκτρες τα πράγματα περιστρέφονται. Ο οπλισμός που στην περίπτωση του βουρτσισμένου κινητήρα περιστρέφεται εντός του στάτη, είναι σταθερός σε κινητήρες χωρίς ψήκτρες και ο μόνιμος μαγνήτης, ο οποίος σε κινητήρες βουρτσισμένου είναι σταθερός, χρησιμεύει ως ρότορας σε κινητήρα χωρίς ψήκτρες. Με απλά λόγια, ο στάτης για κινητήρες DC χωρίς ψήκτρες αποτελείται από πηνία ενώ ο ρότορας του (στον οποίο είναι συνδεδεμένος ο άξονας του κινητήρα) αποτελείται από μόνιμο μαγνήτη.

Δεδομένου ότι ο κινητήρας χωρίς ψήκτρες εξαλείφει τη χρήση πινέλων για παροχή ισχύος στο οπλισμό, η εναλλαγή (εναλλαγή) γίνεται πιο περίπλοκη και εκτελείται ηλεκτρονικά χρησιμοποιώντας πρόσθετο σετ ηλεκτρονικών εξαρτημάτων (όπως ένας ενισχυτής που ενεργοποιείται από ένα μεταβαλλόμενο στοιχείο όπως ένας οπτικός κωδικοποιητής) για την επίτευξη κίνησης. Οι αλγόριθμοι μετακίνησης για κινητήρες DC χωρίς ψήκτρες μπορούν να χωριστούν σε δύο. Αλλαγή με βάση αισθητήρες και χωρίς νόημα.

Σε μετατροπή με βάση αισθητήρες, οι αισθητήρες (π.χ. αισθητήρας αίθουσας) τοποθετούνται κατά μήκος των πόλων του κινητήρα για να παρέχουν ανατροφοδότηση στο κύκλωμα ελέγχου για να τον βοηθήσουν να εκτιμήσει τη θέση του ρότορα. Υπάρχουν τρεις δημοφιλείς αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται για μετατροπή με βάση αισθητήρες.

1. Τραπεζοειδής μετατροπή
2. Ημιτονοειδής μεταβολή
3. Διάνυσμα (ή προσανατολισμένο σε πεδίο) έλεγχο.

Κάθε ένας από αυτούς τους αλγόριθμους ελέγχου έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του και οι αλγόριθμοι μπορούν να εφαρμοστούν με διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με το λογισμικό και το σχεδιασμό του ηλεκτρονικού εξοπλισμού για την πραγματοποίηση των απαραίτητων αλλαγών.

Αντίθετα, στην εναλλαγή χωρίς αισθητήρες, αντί να τοποθετούνται αισθητήρες μέσα στους κινητήρες, το κύκλωμα ελέγχου έχει σχεδιαστεί για τη μέτρηση του πίσω EMF για την εκτίμηση της θέσης του ρότορα.

Αυτός ο αλγόριθμος αποδίδει αρκετά καλά και έχει μειωμένο κόστος καθώς το κόστος των αισθητήρων αίθουσας εξαλείφεται, αλλά η εφαρμογή του είναι πολύ πιο περίπλοκη σε σύγκριση με τους αλγόριθμους που βασίζονται σε αισθητήρες.

Πλεονέκτημα και μειονεκτήματα

Σε βουρτσισμένους κινητήρες DC, οι βούρτσες βρίσκονται σε συνεχή επαφή με τον περιστρεφόμενο μεταγωγέα. Αυτό οδηγεί σε μεγάλη ποσότητα τριβής και αυτό με τη σειρά του οδηγεί στην απώλεια ενέργειας σε θερμότητα και σταδιακή φθορά των πινέλων. Έτσι, οι κινητήρες Brushed DC έχουν χαμηλή απόδοση και απαιτούν περιοδική συντήρηση. Αυτό δημιουργεί μεγάλη τριβή και η τριβή ισούται με τη θερμότητα (απώλεια ενέργειας) και τη φθορά. Το DC χωρίς ψήκτρες από την άλλη πλευρά είναι ουσιαστικά χωρίς τριβή και συνεπώς έχουν πολύ υψηλή απόδοση, απαιτούν μηδενική συντήρηση και διαρκούν περισσότερο από τους κινητήρες DC που βουρτσίζονται.

Ωστόσο, οι βουρτσισμένοι κινητήρες DC είναι πολύ φθηνοί σε σύγκριση με τους αντίστοιχους χωρίς ψήκτρες λόγω της απλής φύσης του σχεδιασμού τους. Οι κινητήρες DC χωρίς ψήκτρες από την άλλη πλευρά είναι αρκετά ακριβοί λόγω του πολύπλοκου σχεδιασμού τους και του επιπλέον κόστους των πρόσθετων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων (ελεγκτών) που απαιτούνται για την οδήγησή τους.

Εφαρμογές

Ενώ οι κινητήρες DC χωρίς ψήκτρες είναι πιο δημοφιλείς αυτές τις μέρες, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται σε καθημερινές οικιακές συσκευές, παιδικά παιχνίδια και σε βιομηχανικές εφαρμογές λόγω της ευκολίας με την οποία μπορεί να ποικίλλει ο λόγος ταχύτητας προς ροπή. Λόγω του χαμηλού κόστους τους, χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου η κεντρική συσκευή μπορεί να αποτύχει πριν από τους κινητήρες.

Οι κινητήρες DC χωρίς ψήκτρες από την άλλη πλευρά έχουν βρει εφαρμογές σε όλα τα είδη συσκευών, από ιατρικούς εξοπλισμούς, ρομπότ και drones έως ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ηλεκτρικά εργαλεία κ.λπ. Χρησιμοποιούνται ουσιαστικά σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή απόδοση, μακροζωία και αξίζουν το κόστος.

Παράγοντες που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά την επιλογή μεταξύ των Brushless και Brushed DC Motors

Εκτός από την ταχύτητα, τη ροπή, τη βαθμολογία ισχύος και άλλες βασικές απαιτήσεις για την εφαρμογή σας παρακάτω, είναι τρεις παράγοντες που πιστεύω ότι θα ήταν επίσης καλό να λάβουμε υπόψη κατά τη λήψη απόφασης σχετικά με τον τύπο κινητήρα που θα χρησιμοποιηθεί για την εφαρμογή σας.

1. Κύκλος λειτουργίας / διάρκεια ζωής
2. Αποδοτικότητα
3. Έλεγχος / ενεργοποίηση
4. Κόστος

Κύκλος λειτουργίας / διάρκεια ζωής

Η διάρκεια ζωής περιγράφει το χρονικό διάστημα λειτουργίας του κινητήρα πριν αποτύχει και σε ποιον κύκλο λειτουργίας. Αυτό είναι σημαντικό επειδή ο βουρτσισμένος κινητήρας DC όπως αναφέρθηκε προηγουμένως είναι ευαίσθητος στη φθορά λόγω της τριβής μεταξύ των βουρτσών και του Commutator. Συνεπώς, είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι η εφαρμογή είναι εκείνη στην οποία ο κινητήρας θα λειτουργεί καθ 'όλη τη διάρκεια ζωής ή μια εφαρμογή στην οποία η συντήρηση του κινητήρα θα θεωρείται φυσιολογική και φθηνή εάν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν κινητήρες DC βουρτσισμένου. Ένα καλό παράδειγμα αυτού είναι στα παιδικά παιχνίδια, όπου τα παιχνίδια συνήθως πετιούνται ή καταστρέφονται πριν φθαρεί ο κινητήρας. Σε εφαρμογές με μεγάλη διάρκεια ζωής και συντήρηση του κινητήρα δεν είναι βιώσιμη επιλογή, οι κινητήρες DC χωρίς ψήκτρες είναι συνήθως η σοφή επιλογή.

Αποδοτικότητα

Γενικά, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες έχουν υψηλότερη συνολική απόδοση σε σύγκριση με τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος, αλλά υπήρξαν περιπτώσεις κινητήρων με βούρτσα χωρίς σίδερο με ανώτερη απόδοση σε σύγκριση με αντίστοιχους κινητήρες χωρίς ψήκτρες. Ωστόσο, είναι σημαντικό να αξιολογήσετε τη συνολική απαιτούμενη απόδοση και να τη συγκρίνετε με εκείνη κάθε κινητήρα πριν λάβετε μια απόφαση. Στις περισσότερες περιπτώσεις όπου η αποδοτικότητα είναι ο αποφασιστικός παράγοντας, οι κινητήρες DC χωρίς ψήκτρες κερδίζουν συνήθως.

Έλεγχος / ενεργοποίηση

Αυτό είναι συνήθως ένα από τα σημαντικότερα μειονεκτήματα όσον αφορά τη χρήση κινητήρων DC χωρίς ψήκτρες. Οι πρόσθετες απαιτήσεις όπως ελεγκτές κ.λπ., καθιστούν την ενεργοποίηση πιο περίπλοκη σε σύγκριση με εκείνη των βουρτσισμένων κινητήρων DC που θα μπορούσαν να τροφοδοτηθούν / ενεργοποιηθούν μέθοδοι τόσο ασήμαντες όσο η σύνδεση μιας μπαταρίας στα τερματικά της. Θα πρέπει να βεβαιωθείτε ότι η πολυπλοκότητα που συνεπάγεται η χρήση κινητήρα DC χωρίς ψήκτρες για το έργο είναι δικαιολογημένη και ότι τα ηλεκτρονικά υποστηρίγματα όπως οι ελεγκτές είναι άμεσα διαθέσιμα. Ανεξάρτητα από την απλότητα των βουρτσισμένων κινητήρων DC, μερικές φορές δεν είναι κατάλληλοι για εφαρμογές υψηλής ακρίβειας. Ενώ ο κινητήρας Brushed DC μπορεί εύκολα να συνδεθεί στον ελεγκτή όπως το Arduino, είναι πολύ περίπλοκο να συνδέσετε ένα BLDC με το Arduino Uno, ωστόσο το ESC (Electronic Speed ​​Controller)) διευκολύνει τη διασύνδεση ενός BLDC με έναν μικροελεγκτή.

Κόστος

Η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού των κινητήρων DC χωρίς ψήκτρες τους καθιστά πολύ ακριβά σε σύγκριση με τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος. Βεβαιωθείτε ότι το επιπλέον κόστος είναι εντός προσιτών ορίων για το έργο πριν πάτε για κινητήρες DC χωρίς ψήκτρες. Επίσης, λάβετε υπόψη το κόστος των άλλων αξεσουάρ που απαιτούνται για τη χρήση BLDC πριν λάβετε μια απόφαση.