Motori ar suku un bez sukām: darbība, uzbūve un pielietojums

Elektromotori ir kļuvuši par milzīgu mūsu dzīves daļu. Tie ir atrodami visu veidu ierīcēs, sākot no elektriskajām automašīnām līdz bezpilota lidaparātiem, robotiem un citām elektronikas ierīcēm. Kopumā elektromotors ir ierīce, kas pārveido elektrisko enerģiju mehāniskajā enerģijā. Parasti tos sauc par tieši pretēju ģeneratoriem, jo ​​tie darbojas pēc līdzīgiem principiem un teorētiski tos var pārveidot par ģeneratoriem. Tie galvenokārt tiek izmantoti situācijās, kad nepieciešama rotācijas kustība, un tie tiek izmantoti ierīcēs (vibrācijas motori), robotos, medicīnas iekārtās, rotaļlietās un daudz ko citu.

Elektromotorus var iedalīt divās lielās kategorijās, ņemot vērā tiem izmantoto enerģijas avotu: maiņstrāvas un līdzstrāvas motorus. Kā norāda nosaukums, maiņstrāvas motori parasti tiek darbināti, izmantojot maiņstrāvas avotus (vienfāzes vai trīsfāzu), un tos galvenokārt izmanto rūpniecības un lieljaudas lietojumos, kur nepieciešams liels griezes moments. No otras puses, līdzstrāvas motori (kas mūsdienās ir mūsu uzmanības centrā) parasti ir mazāki un tiek izmantoti akumulatoros (vai pieslēgtos līdzstrāvas avotiem) balstītās lietojumprogrammās, kur, salīdzinot ar maiņstrāvas motoriem, ir nepieciešams ievērojami mazāks darba apjoms. Viņi atrod lietojumprogrammas vairākās ierīcēs, sākot no ikdienas ierīcēm, piemēram, skūšanās mašīnām līdz rotaļlietām bērniem, robotiem un bezpilota lidaparātiem.

Prasība par līdzstrāvas motoriem dažādās lietojumprogrammās atšķiras, jo vienam lietojumam var būt nepieciešams lielāks griezes moments un samazināts ātrums, bet citam - lielāks ātrums un samazināts griezes moments, tāpēc līdzstrāvas motorus pārdošanas speciālisti dažreiz klasificē, pamatojoties uz to. Tomēr līdzstrāvas motorus var klasificēt trīs dažādās kategorijās vai tipos, ieskaitot;

1. Slīpēts līdzstrāvas motors
2. DC motori bez sukām
3. Servo Motors.

Šodienas rakstam mūsu uzmanība tiks koncentrēta uz DC un Brushed DC motoriem, jo mēs pārbaudām atšķirību starp tiem pēc darbības principa, konstrukcijas, pielietojuma, priekšrocībām un trūkumiem. Attiecībā uz trešo tipu varat iepazīties ar detalizētu servomotora rakstu.

Darbības princips un uzbūve

Visu motoru darbība parasti balstās uz diviem principiem, kas ir : Amperes likums un Faraday likums. Par pirmais likums nosaka, ka elektrisko diriģents ievieto magnētiskajā laukā pieredzēsiet spēku, ja kāds strāva plūst caur diriģents ir komponents taisnā leņķī attiecībā pret šajā jomā. Par Otrais princips nosaka, ka, ja vadītājs tiek pārvietots caur magnētisko lauku, tad jebkura sastāvdaļa, kustības perpendikulāri šajā jomā radīs potenciālu starpība starp galiem diriģents.

Pamatojoties uz šiem likumiem, elektromotori sastāv no divām galvenajām daļām; Spolē savīti pastāvīgs magnēts un virkne vadītāju. Pielietojot elektrību spolei, tā kļūst par magnētu, un, pamatojoties uz to, ka magnēti atgrūž līdzīgos stabos un piesaista atšķirībā no poliem, tiek panākta rotācijas kustība.

Slīpēts līdzstrāvas motors

Zināms, ka matētais līdzstrāvas motors ir viens no agrākajiem un vienkāršākajiem motoriem, jo ​​tas vienkāršāk īsteno iepriekš aprakstītos likumus. Kā aprakstīts zemāk redzamajā attēlā , slīpēta līdzstrāvas motora konstrukcija sastāv no fiksēta statora, kas izgatavots no pastāvīga magnēta, un kustīga armatūra (rotors), uz kura visas detaļas, piemēram, komutators, otas un sadalošais gredzens, ir novietotas ap motoru. vārpsta.

Kad strāva tiek piegādāta motoram (caur akumulatoru vai caur maiņstrāvas līdz līdzstrāvai pievienotu avotu), elektrība no avota uz armatūru plūst caur sukām, kas parasti atrodas motora vārpstas pretējās pusēs. Birstes (kuru klātbūtne dizainā ir galvenais motora nosaukuma faktors), fizisku kontaktu ar komutatoru pārnes elektrisko strāvu uz armatūru. Tiklīdz armatūra (stieples spole) tiek aktivizēta, tā sāk uzvesties kā magnēts un tajā brīdī tās stabi sāk atgrūst pastāvīgā magnēta polus, kas veido statoru. Kad stabi atgrūžas, motora vārpsta, kurai piestiprināta armatūra, sāk griezties ar ātrumu un griezes momentu, kas atkarīgs no magnētiskā lauka stipruma ap armatūru.

Magnētiskā lauka stiprums parasti ir atkarīgs no sprieguma, kas tiek pielikts pie sukām, un statoram izmantotā pastāvīgā magnēta stipruma.

DC motori bez sukām

Lai arī tie izmanto to pašu elektromagnētisma principu, no otras puses, bez sukām motori ir sarežģītāki. Tie ir tiešs rezultāts centieniem uzlabot pilnveidotu līdzstrāvas motoru efektivitāti, un tos var vienkārši raksturot kā motorus, kuri komutācijai nepielieto otas. Tomēr šī apraksta vienkāršotais raksturs ļauj uzdot jautājumus par to, kā motors tiek darbināts un kā tiek panākta kustība bez sukām, kurus es mēģināšu izskaidrot.

Pretēji sukoto motoru konstrukcijai bezkontaktu motoros lietas tiek apgrieztas apkārt. Armatūra, kas matēta motora gadījumā griežas statorā, ir nekustīga bezkontaktu motoros, un pastāvīgais magnēts, kas matētajos motoros ir fiksēts, kalpo kā rotors bezkontaktu motorā. Vienkārši sakot, bezkontaktu līdzstrāvas motoru statoru veido ruļļi, savukārt tā rotoru (pie kura piestiprināta motora vārpsta) veido pastāvīgs magnēts.

Tā kā bezkontaktu motors novērš suku izmantošanu, lai nodrošinātu enerģiju armatūrai, pārslēgšana (komutācija) kļūst sarežģītāka un tiek veikta elektroniski, izmantojot papildu elektronisko komponentu komplektu (piemēram, pastiprinātāju, ko iedarbina komutācijas komponents, piemēram, optiskais kodētājs), lai sasniegtu kustību. Komutācijas algoritmus līdzstrāvas motoriem bez sukām var iedalīt divos; Sensora bāzes un bezjēdzīga komutācija.

Komutācijā ar sensoru palīdzību sensori (piemēram, zāles sensors) tiek novietoti gar motora stabiem, lai sniegtu atgriezenisko saiti uz vadības ķēdi, lai palīdzētu novērtēt rotora stāvokli. Uz sensoru balstītu komutāciju izmanto trīs populārus algoritmus;

1. Trapecveida komutācija
2. Sinusoidālā komutācija
3. Vektoru (vai lauka orientēta) vadība.

Katram no šiem vadības algoritmiem ir savi plusi un mīnusi, un algoritmus var ieviest dažādos veidos atkarībā no programmatūras un elektronikas aparatūras konstrukcijas, lai veiktu nepieciešamās izmaiņas.

No otras puses, komutācijā bez sensoriem tā vietā, lai motoros ievietotu sensorus, vadības shēma ir paredzēta, lai izmērītu aizmugurējo EMF, lai novērtētu rotora stāvokli.

Šis algoritms darbojas diezgan labi un ir par zemākām izmaksām, jo ​​zāles sensoru izmaksas tiek izslēgtas, taču tā ieviešana ir daudz sarežģītāka salīdzinājumā ar algoritmiem, kuru pamatā ir sensori.

Priekšrocības un trūkumi

Birstes līdzstrāvas motoros birstes pastāvīgi kontaktējas ar rotējošu komutatoru. Tas rada ievērojamu berzes daudzumu, kas savukārt noved pie siltuma enerģijas zuduma un pakāpeniskas suku nodiluma. Tādējādi matētiem līdzstrāvas motoriem ir zema efektivitāte, un tiem nepieciešama periodiska apkope. Tas rada lielu berzi, un berze ir vienāda ar siltumu (enerģijas zudumu) un nodilumu. No otras puses, bez sukas līdzstrāvas būtībā nav berzes, un tāpēc tām ir patiešām augsta efektivitāte, tām nav nepieciešama apkope un tās kalpo ilgāk nekā matēti līdzstrāvas motori.

Tomēr matēti līdzstrāvas motori ir ļoti lēti, salīdzinot ar kolēģiem bez sukām, pateicoties to konstrukcijas vienkāršībai. Savukārt līdzstrāvas bezkontakta motori ir diezgan dārgi, ņemot vērā to sarežģīto konstrukciju un papildu izmaksas par papildu elektronikas komponentiem (kontrolieriem), kas nepieciešami to darbināšanai.

Pieteikumi

Kaut arī šajos dienās bezkontakta līdzstrāvas motori ir populārāki, matēti līdzstrāvas motori joprojām tiek izmantoti ikdienas sadzīves tehnikā, bērnu rotaļlietās un rūpniecībā, jo to ātruma un griezes momenta attiecību var viegli mainīt. To zemo izmaksu dēļ tos izmanto lietojumprogrammās, kurās resursdatora ierīce varētu neizdoties pirms motoriem.

No otras puses, bezkontakta līdzstrāvas motori ir atraduši pielietojumu visdažādākajās ierīcēs, sākot no medicīnas iekārtām, robotiem un bezpilota lidaparātiem līdz elektriskām automašīnām, elektroinstrumentiem utt. Tos galvenokārt izmanto lietojumos, kuriem nepieciešama augsta efektivitāte, ilgmūžība un kuru vērtība ir dārga.

Faktori, kas jāņem vērā, izvēloties starp Brushless un Brushed DC Motors

Papildus ātrumam, griezes momentam, jaudas nominālvērtībai un citām pamatprasībām jūsu lietojumprogrammai, kas ir zemāk, ir trīs faktori, kas, manuprāt, varētu būt labi jāņem vērā, pieņemot lēmumu par motora veidu, ko izvietot jūsu lietojumprogrammai.

1. Darba cikls / kalpošanas laiks
2. Efektivitāte
3. Vadība / iedarbināšana
4. Izmaksas

Darba cikls / kalpošanas laiks

Kalpošanas laiks raksturo, cik ilgi motoram jādarbojas pirms atteices un kādā darba ciklā. Tas ir svarīgi, jo matēts līdzstrāvas motors, kā minēts iepriekš, ir viegli nolietojams berzes dēļ starp sukām un komutatoru. Tāpēc ir svarīgi nodrošināt, lai motors darbotos visā tā kalpošanas laikā, vai lietojums, kurā motora apkope tiks uzskatīta par normālu un lētu, ja tiks izmantoti slīpēti līdzstrāvas motori. Labs piemērs tam ir bērnu rotaļlietas, kur rotaļlietas parasti tiek izmestas vai sabojātas pirms motora nodiluma. Lietojumos ar ilgu kalpošanas laiku un motora apkalpošana nav reāla iespēja, gudrākais variants parasti ir līdzstrāvas bezkontakta motori.

Efektivitāte

Parasti bezkontaktu līdzstrāvas motoriem ir augstāka vispārējā efektivitāte salīdzinājumā ar matētajiem līdzstrāvas motoriem, taču ir bijuši gadījumi, kad ar bezdzelzs kodoliem motori ir ar augstāku efektivitāti salīdzinājumā ar līdzvērtīgiem bezkontakta motoriem. Tomēr pirms lēmuma pieņemšanas ir svarīgi novērtēt kopējo nepieciešamo efektivitāti un salīdzināt to ar katra motora efektivitāti. Vairumā gadījumu, kad izšķirošais faktors ir efektivitāte, parasti uzvar bezkontakta līdzstrāvas motori.

Vadība / iedarbināšana

Parasti tas ir viens no galvenajiem trūkumiem, kad tiek izmantoti bezkontaktu līdzstrāvas motori. Papildu prasības, piemēram, kontrolieri utt., Padara darbību sarežģītāku, salīdzinot ar matētiem līdzstrāvas motoriem, kurus var darbināt / darbināt ar tikpat mazsvarīgu nozīmi kā akumulatora pievienošana pāri tā spailēm. Jums jānodrošina, lai sarežģītības pakāpe, kas saistīta ar bezkontaktu līdzstrāvas motora izmantošanu projektā, ir pamatota, un atbalsta elektronika, piemēram, kontrolieri, ir viegli pieejama. Neatkarīgi no matētu līdzstrāvas motoru vienkāršības, tie dažreiz nav piemēroti augstas precizitātes lietojumiem. Kaut arī suku līdzstrāvas motoru var viegli pievienot kontrolierim, piemēram, Arduino, BLDC savienot ar Arduino Uno ir ļoti sarežģīti, tomēr ESC (elektroniskais ātruma kontrolieris)) atvieglo BLDC saskarni ar mikrokontrolleru.

Izmaksas

Bezkontaktu līdzstrāvas motoru konstrukcijas sarežģītība padara tos patiešām dārgus salīdzinājumā ar matētiem līdzstrāvas motoriem. Pirms dodaties uz līdzstrāvas motoriem bez sukām, pārliecinieties, ka papildu izmaksas ir projekta pieņemamās robežās. Pirms lēmuma pieņemšanas apsveriet arī citu piederumu izmaksas, kas nepieciešamas BLDC lietošanai.