Silniki szczotkowane a bezszczotkowe: działanie, konstrukcja i zastosowania

Silniki elektryczne stały się ogromną częścią naszego życia. Występują we wszelkiego rodzaju urządzeniach, od samochodów elektrycznych po drony, roboty i inne urządzenia elektroniczne. Ogólnie rzecz biorąc, silnik elektryczny to urządzenie, które przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. Zwykle określa się je jako dokładne przeciwieństwo generatorów, ponieważ działają na podobnych zasadach i teoretycznie można je przekształcić w generatory. Są stosowane głównie w sytuacjach, w których potrzebny jest ruch obrotowy i znajdują zastosowanie w urządzeniach (silniki wibracyjne), robotach, sprzęcie medycznym, zabawkach i wielu innych.

Silniki elektryczne można podzielić na dwie szerokie kategorie w zależności od rodzaju zastosowanego źródła zasilania: silniki prądu przemiennego i silniki prądu stałego. Jak sama nazwa wskazuje, silniki prądu przemiennego są generalnie zasilane ze źródeł prądu przemiennego (jednofazowego lub trójfazowego) i są najczęściej używane w zastosowaniach przemysłowych i ciężkich, gdzie wymagany jest duży moment obrotowy. Z drugiej strony silniki prądu stałego (na których obecnie się skupiamy) są zwykle mniejsze i są używane w aplikacjach opartych na bateriach (lub podłączonych do źródeł prądu stałego), w których wymagany jest znacznie mniejszy nakład pracy w porównaniu z silnikami prądu przemiennego. Znajdują zastosowanie w kilku urządzeniach, od urządzeń codziennego użytku, takich jak maszynki do golenia, po zabawki dla dzieci, roboty i drony.

Wymagania dotyczące silników prądu stałego różnią się w zależności od aplikacji, ponieważ jedna aplikacja może wymagać większego momentu obrotowego i zmniejszenia prędkości, podczas gdy inna może wymagać większej prędkości i zmniejszonego momentu obrotowego, dlatego też silniki prądu stałego są czasami klasyfikowane przez sprzedawców na tej podstawie. Jednak silniki prądu stałego można podzielić na trzy różne kategorie lub typy, w tym;

1. Szczotkowany silnik prądu stałego
2. Bezszczotkowe silniki prądu stałego
3. Serwomotory.

W dzisiejszym artykule skupimy się na bezszczotkowych i szczotkowanych silnikach prądu stałego, ponieważ badamy różnice między nimi pod względem zasady działania, konstrukcji, zastosowań, zalet i wad. W przypadku trzeciego typu możesz przejść przez szczegółowy artykuł dotyczący silnika serwo.

Zasada działania i konstrukcja

Działanie wszystkich silników jest generalnie oparte na dwóch zasadach ; Prawo Ampera i prawo Faradaya. Te stany pierwsze prawo że przewód elektryczny umieszczony w polu magnetycznym doświadczy siły jeśli prąd płynący przez przewód posiada komponent pod kątem prostym do tej dziedzinie. Te drugie zasada stwierdza, że jeśli dyrygent jest przenoszony przez pole magnetyczne, a następnie każdy element ruchu prostopadłym do tego pola spowoduje wygenerowanie różnicy potencjałów pomiędzy końcami przewodu.

Zgodnie z tymi prawami silniki elektryczne składają się z dwóch głównych części; Magnes stały i wiązka przewodników zwinięta w cewkę. Dzięki zastosowaniu prądu elektrycznego cewka staje się magnesem i opierając się na fakcie, że magnesy odpychają się na podobnych biegunach i przyciągają na odmiennych biegunach, uzyskuje się ruch obrotowy.

Szczotkowany silnik prądu stałego

Szczotkowy silnik prądu stałego jest znany jako jeden z najwcześniejszych i najprostszych silników, ponieważ w najprostszy sposób realizuje opisane powyżej prawa. Jak opisano na poniższym obrazku, konstrukcja szczotkowanego silnika prądu stałego składa się ze stałego stojana wykonanego z magnesu trwałego i ruchomej zwory (wirnika), na którym znajdują się elementy, takie jak komutator, szczotki i dzielony pierścień, z których wszystkie są umieszczone wokół silnika wał.

Kiedy zasilanie jest dostarczane do silnika (przez akumulator lub przez podłączone źródło prądu przemiennego na prąd stały), prąd przepływa ze źródła do twornika przez szczotki, które zwykle znajdują się po przeciwnych stronach wału silnika. Szczotki (których obecność w projekcie jest głównym czynnikiem stojącym za nazwą silnika) przekazują prąd elektryczny do twornika poprzez fizyczny kontakt z komutatorem. Gdy tylko twornik (cewka drutu) zostanie zasilony, zaczyna zachowywać się jak magnes iw tym momencie jego bieguny zaczynają odpychać bieguny magnesu trwałego, który tworzy stojan. Gdy bieguny odpychają się, wał silnika, do którego przymocowana jest zwora, zaczyna się obracać z prędkością i momentem obrotowym, które zależą od natężenia pola magnetycznego wokół twornika.

Siła pola magnetycznego jest zwykle funkcją napięcia przyłożonego do szczotek i siły magnesu trwałego używanego do stojana.

Bezszczotkowe silniki prądu stałego

Chociaż wykorzystują tę samą zasadę elektromagnetyzmu, z drugiej strony silniki bezszczotkowe są bardziej złożone. Są bezpośrednim rezultatem wysiłków podejmowanych w celu poprawy wydajności szczotkowanych silników prądu stałego i można je po prostu opisać jako silniki, które nie wykorzystują szczotek do komutacji. Jednak uproszczony charakter tego opisu ustępuje miejsca pytaniom o to, jak silnik jest zasilany i jak uzyskuje się ruch bez szczotek, które spróbuję wyjaśnić.

W przeciwieństwie do konstrukcji silników szczotkowych, w silnikach bezszczotkowych rzeczy się odwracają. Twornik, który w przypadku silnika szczotkowego obraca się w stojanie, jest nieruchomy w silnikach bezszczotkowych, a magnes stały, który w silnikach szczotkowych jest nieruchomy, służy jako wirnik w silniku bezszczotkowym. Mówiąc najprościej, stojan do bezszczotkowych silników prądu stałego składa się z cewek, podczas gdy jego wirnik (do którego przymocowany jest wał silnika) jest wykonany z magnesu trwałego.

Ponieważ silnik bezszczotkowy eliminuje użycie szczotek do zasilania twornika, przełączanie (komutacja) staje się bardziej złożone i jest wykonywane elektronicznie przy użyciu dodatkowego zestawu elementów elektronicznych (takich jak wzmacniacz wyzwalany przez element komutujący, taki jak enkoder optyczny) w celu uzyskania ruchu. Algorytmy komutacyjne dla bezszczotkowych silników prądu stałego można podzielić na dwa; Komutacja oparta na czujnikach i bezsensowna.

W komutacji opartej na czujnikach czujniki (np. Czujnik Halla) są umieszczane wzdłuż biegunów silnika, aby zapewnić sprzężenie zwrotne do obwodów sterujących, aby pomóc w oszacowaniu położenia wirnika. Istnieją trzy popularne algorytmy wykorzystywane do komutacji opartej na czujnikach;

1. Komutacja trapezowa
2. Komutacja sinusoidalna
3. Sterowanie wektorowe (lub zorientowane na pole).

Każdy z tych algorytmów sterowania ma swoje wady i zalety, a algorytmy mogą być implementowane na różne sposoby w zależności od oprogramowania i konstrukcji sprzętu elektronicznego, aby wprowadzić niezbędne zmiany.

Z drugiej strony, w komutacji bezczujnikowej, zamiast czujników umieszczanych w silnikach, obwód sterujący jest przeznaczony do pomiaru tylnej siły elektromagnetycznej w celu oszacowania położenia wirnika.

Ten algorytm działa całkiem dobrze i jest tańszy, ponieważ koszt czujników halla został wyeliminowany, ale jego implementacja jest o wiele bardziej złożona w porównaniu z algorytmami opartymi na czujnikach.

Zalety i wady

W szczotkowanych silnikach prądu stałego szczotki są w stałym kontakcie z obracającym się komutatorem. Prowadzi to do generowania znacznych ilości tarcia, co z kolei prowadzi do utraty energii na ciepło i stopniowego zużywania się szczotek. Dlatego szczotkowane silniki prądu stałego mają niską sprawność i wymagają okresowej konserwacji. Powoduje to duże tarcie, które jest równoznaczne z wydzielaniem ciepła (utratą energii) oraz zużyciem. Z drugiej strony bezszczotkowy prąd stały jest zasadniczo beztarciowy, a zatem ma naprawdę wysoką wydajność, nie wymaga konserwacji i jest trwalszy niż szczotkowane silniki prądu stałego.

Jednak szczotkowane silniki prądu stałego są bardzo tanie w porównaniu z ich bezszczotkowymi odpowiednikami ze względu na prostą konstrukcję. Z drugiej strony bezszczotkowe silniki prądu stałego są dość drogie ze względu na ich złożoną konstrukcję i dodatkowy koszt dodatkowych elementów elektronicznych (sterowników) wymaganych do ich napędzania.

Aplikacje

Chociaż bezszczotkowe silniki prądu stałego są obecnie bardziej popularne, szczotkowane silniki prądu stałego są nadal używane w codziennych urządzeniach domowych, zabawkach dla dzieci oraz w zastosowaniach przemysłowych ze względu na łatwość, z jaką można zmieniać ich stosunek prędkości do momentu obrotowego. Ze względu na niski koszt są używane w aplikacjach, w których urządzenie główne może ulec awarii przed silnikami.

Z drugiej strony bezszczotkowe silniki prądu stałego znalazły zastosowanie we wszelkiego rodzaju urządzeniach, od sprzętu medycznego, robotów i dronów po samochody elektryczne, elektronarzędzia itp. Są one zasadniczo używane w zastosowaniach, które wymagają wysokiej wydajności, trwałości i są warte swojej ceny.

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze między bezszczotkowymi i szczotkowanymi silnikami prądu stałego

Oprócz prędkości, momentu obrotowego, mocy znamionowej i innych podstawowych wymagań dla twojej aplikacji, poniżej są trzy czynniki, które moim zdaniem mogą być również dobre do rozważenia przy podejmowaniu decyzji o typie silnika do zastosowania w twojej aplikacji.

1. Cykl pracy / żywotność
2. Wydajność
3. Sterowanie / uruchamianie
4. Koszt

Cykl pracy / żywotność

Okres użytkowania opisuje, jak długo silnik musi pracować, zanim ulegnie awarii i przy jakim cyklu pracy. Jest to ważne, ponieważ szczotkowane silniki prądu stałego, jak wspomniano wcześniej, są podatne na zużycie z powodu tarcia między szczotkami a komutatorem. Dlatego ważne jest, aby upewnić się, że zastosowanie będzie takie, w którym silnik będzie funkcjonował przez cały okres użytkowania lub zastosowanie, w którym serwisowanie silnika będzie uważane za normalne i niedrogie, jeśli mają być używane szczotkowane silniki prądu stałego. Dobrym tego przykładem są zabawki dla dzieci, gdzie zabawki są zwykle wyrzucane lub uszkadzane, zanim silnik się zużyje. W zastosowaniach o długiej żywotności i serwisowaniu silnika nie jest opłacalna opcja, bezszczotkowe silniki prądu stałego są zwykle rozsądną opcją.

Wydajność

Ogólnie rzecz biorąc, bezszczotkowe silniki prądu stałego mają wyższą ogólną sprawność w porównaniu ze szczotkowanymi silnikami prądu stałego, ale zdarzały się przypadki szczotkowanych silników bez rdzenia o wyższej wydajności w porównaniu z równoważnymi silnikami bezszczotkowymi. Jednak ważne jest, aby ocenić ogólną wymaganą sprawność i porównać ją z wydajnością każdego silnika przed podjęciem decyzji. W większości przypadków, w których decydującym czynnikiem jest sprawność, zwykle wygrywają bezszczotkowe silniki prądu stałego.

Sterowanie / uruchamianie

Zwykle jest to jedna z głównych przeszkód w stosowaniu bezszczotkowych silników prądu stałego. Dodatkowe wymagania, takie jak sterowniki itp., Sprawiają, że uruchamianie jest bardziej złożone w porównaniu do szczotkowanych silników prądu stałego, które mogą być zasilane / uruchamiane metodami tak banalnymi, jak podłączenie akumulatora między zaciskami. Należy upewnić się, że stopień złożoności związanej z użyciem bezszczotkowego silnika prądu stałego w projekcie jest uzasadniony, a pomocna elektronika, taka jak kontrolery, jest łatwo dostępna. Niezależnie od prostoty szczotkowanych silników prądu stałego, czasami nie nadają się one do zastosowań wymagających wysokiej precyzji. Podczas gdy silnik szczotkowanego prądu stałego można łatwo podłączyć do kontrolera, takiego jak Arduino, połączenie BLDC z Arduino Uno jest znacznie skomplikowane, jednak ESC (Electronic Speed ​​Controller) ułatwia połączenie BLDC z mikrokontrolerem.

Koszt

Złożoność konstrukcji bezszczotkowych silników prądu stałego sprawia, że ​​są one naprawdę drogie w porównaniu ze szczotkowanymi silnikami prądu stałego. Upewnij się, że dodatkowe koszty mieszczą się w rozsądnych granicach projektu, zanim przejdziesz na bezszczotkowe silniki prądu stałego. Przed podjęciem decyzji należy również rozważyć koszt innych akcesoriów wymaganych do korzystania z BLDC.