Motori bez četkica su različiti električni motori koji, za razliku od konvencionalnih motora sa četkom ili ugljem, uklanjanje drvenog uglja u motorima bez četkica povećava efikasnost i dugovječnost ovih motora u usporedbi s konvencionalnim motorima na ugljen.
Zbog brojnih prednosti motora bez četkica, naši brojni alati koriste motore bez četkica kako bi vas pratili svojom jedinstvenom snagom u svakoj situaciji.Duži životni vijek, mala težina i manja proizvodnja buke su neke od karakteristika koje razlikuju ove motore od motora na ugalj.
Motori su mašine za isporuku energije
Kada se inženjeri suoče s izazovom dizajniranja električne opreme za obavljanje mehaničkih zadataka, mogli bi razmišljati o tome kako se električni signali pretvaraju u energiju.Tako su aktuatori i motori među uređajima koji pretvaraju električne signale u pokret.Motori razmjenjuju električnu energiju u mehaničku energiju.
Najjednostavniji tip motora je brušeni DC motor.Kod ovog tipa motora, električna struja prolazi kroz zavojnice koje su raspoređene unutar fiksnog magnetnog polja.Struja stvara magnetna polja u zavojnicama;ovo uzrokuje rotaciju sklopa zavojnice, jer se svaki kalem gura od sličnog pola i povlači prema drugom polu fiksnog polja.Da bi se održala rotacija, potrebno je kontinuirano mijenjati struju - tako da će se polariteti zavojnica neprestano okretati, uzrokujući da zavojnice nastave da "jure" za razliku od fiksnih polova.Napajanje zavojnicama se dovodi preko fiksnih vodljivih četkica koje ostvaruju kontakt sa rotirajućim komutatorom;to je rotacija komutatora koja uzrokuje preokret struje kroz zavojnice.Komutator i četke su ključne komponente koje razlikuju brušeni DC motor od drugih tipova motora.Slika 1 ilustruje opšti princip brušenog motora.
Slika 1: Rad brušenog DC motora.
Fiksne četke opskrbljuju električnom energijom rotirajući komutator.Kako se komutator rotira, on neprestano okreće smjer struje u zavojnice, obrćući polaritete zavojnice tako da zavojnice održavaju rotaciju udesno.Komutator se rotira jer je pričvršćen za rotor na koji su montirani zavojnici.
Motori se razlikuju prema vrsti snage (AC ili DC) i načinu generiranja rotacije (Slika 2).U nastavku ćemo ukratko pogledati karakteristike i upotrebe svake vrste.
Različite vrste motora
Brušeni DC motori, jednostavnog dizajna i lakog upravljanja, naširoko se koriste za otvaranje i zatvaranje nosača diskova.U automobilima se često koriste za uvlačenje, izvlačenje i pozicioniranje bočnih prozora na električni pogon.Niska cijena ovih motora čini ih pogodnim za mnoge namjene.Međutim, jedan nedostatak je taj što se četke i komutatori relativno brzo troše kao rezultat njihovog stalnog kontakta, što zahtijeva čestu zamjenu i periodično održavanje.
Koračni motor se pokreće impulsima;rotira se kroz određeni ugao (korak) sa svakim impulsom.Budući da je rotacija precizno kontrolirana brojem primljenih impulsa, ovi motori se široko koriste za implementaciju podešavanja položaja.Često se koriste, na primjer, za kontrolu uvlačenja papira u faks mašinama i štampačima – budući da ovi uređaji ubacuju papir u fiksnim koracima, koji se lako povezuju sa brojanjem impulsa.Pauziranje se takođe može lako kontrolisati, jer se rotacija motora trenutno zaustavlja kada je impulsni signal prekinut.
Kod sinhronih motora rotacija je sinhrona sa frekvencijom struje napajanja.Ovi motori se često koriste za pogon rotirajućih tacni u mikrotalasnim pećnicama;redukcijski zupčanici u jedinici motora mogu se koristiti za postizanje odgovarajućih brzina rotacije za zagrijavanje hrane.Kod asinhronih motora, također, brzina rotacije varira s frekvencijom;ali kretanje nije sinhrono.U prošlosti su se ovi motori često koristili u električnim ventilatorima i mašinama za pranje veša.
Postoje različite vrste motora u uobičajenoj upotrebi.U ovoj sesiji razmatramo prednosti i primjenu DC motora bez četkica.
Zašto se BLDC motori okreću?
Kao što im naziv govori, DC motori bez četkica ne koriste četke.Kod brušenih motora, četke dovode struju kroz komutator u zavojnice na rotoru.Dakle, kako motor bez četkica prenosi struju do namotaja rotora?Nije—jer se zavojnice ne nalaze na rotoru.Umjesto toga, rotor je trajni magnet;zavojnice se ne okreću, već su fiksirane na statoru.Budući da se zavojnice ne pomiču, nema potrebe za četkama i komutatorom.(Vidi sliku 3.)
Kod brušenog motora rotacija se postiže kontrolom magnetnih polja koje stvaraju zavojnice na rotoru, dok magnetno polje koje stvaraju stacionarni magneti ostaje fiksno.Da biste promijenili brzinu rotacije, promijenite napon za zavojnice.Kod BLDC motora, permanentni magnet se rotira;rotacija se postiže promjenom smjera magnetskih polja koja stvaraju okolni stacionarni kalemovi.Da biste kontrolirali rotaciju, podešavate veličinu i smjer struje u ovim zavojnicama.
Pošto je rotor trajni magnet, ne treba mu struja, eliminišući potrebu za četkicama i komutatorom.Struja do fiksnih namotaja kontrolira se izvana.
Prednosti BLDC motora
BLDC motor sa tri zavojnice na statoru imat će šest električnih žica (po dvije na svaki namotaj) koje se protežu od ovih zavojnica.U većini implementacija tri od ovih žica će biti povezane interno, s tim da se preostale tri žice protežu od tijela motora (za razliku od dvije žice koje se protežu od brušenog motora opisanog ranije).Ožičenje u kućištu BLDC motora je složenije od jednostavnog povezivanja pozitivnih i negativnih terminala energetske ćelije;pobliže ćemo pogledati kako ovi motori rade u drugoj sesiji ove serije.U nastavku zaključujemo razmatranjem prednosti BLDC motora.
Jedna velika prednost je efikasnost, jer ovi motori mogu kontinuirano kontrolirati maksimalnom rotacijskom silom (momentom).Nasuprot tome, brušeni motori postižu maksimalni obrtni moment samo u određenim tačkama rotacije.Da bi brušeni motor isporučio isti moment kao i model bez četkica, trebao bi koristiti veće magnete.Zbog toga čak i mali BLDC motori mogu isporučiti značajnu snagu.
Druga velika prednost – povezana s prvom – je upravljivost.BLDC motori se mogu kontrolisati, koristeći povratne mehanizme, da isporuče precizno željeni moment i brzinu rotacije.Precizna kontrola zauzvrat smanjuje potrošnju energije i stvaranje topline, i – u slučajevima kada se motori napajaju iz baterija – produžava vijek trajanja baterije.
BLDC motori također nude visoku izdržljivost i nisku proizvodnju električne buke, zahvaljujući nedostatku četkica.Kod brušenih motora, četke i komutator se troše kao rezultat neprekidnog pokretnog kontakta, a također stvaraju iskre tamo gdje se kontakt ostvaruje.Električni šum je, posebno, rezultat jakih varnica koje se obično javljaju na područjima gdje četkice prelaze preko praznina u komutatoru.Zbog toga se BLDC motori često smatraju poželjnijim u aplikacijama gdje je važno izbjeći električnu buku.
Idealne aplikacije za BLDC motore
Vidjeli smo da BLDC motori nude visoku efikasnost i upravljivost, te da imaju dug radni vijek.Pa za šta su oni dobri?Zbog svoje efikasnosti i dugovječnosti, široko se koriste u uređajima koji rade neprekidno.Dugo se koriste u mašinama za pranje veša, klima uređajima i drugoj potrošačkoj elektronici;a odnedavno se pojavljuju i kod ventilatora, gdje je njihova visoka efikasnost doprinijela značajnom smanjenju potrošnje energije.
Koriste se i za pogon vakuumskih mašina.U jednom slučaju, promjena u upravljačkom programu rezultirala je velikim skokom u brzini rotacije - primjerom vrhunske upravljivosti koju nude ovi motori.
BLDC motori se takođe koriste za okretanje hard diskova, pri čemu njihova izdržljivost održava pogone pouzdanim tokom dugog perioda, dok njihova energetska efikasnost doprinosi smanjenju energije u oblasti u kojoj to postaje sve važnije.
Ka široj upotrebi u budućnosti
Možemo očekivati da ćemo BLDC motore koristiti u širem spektru aplikacija u budućnosti.Na primjer, vjerovatno će se naširoko koristiti za pokretanje servisnih robota — malih robota koji pružaju usluge u poljima koja nisu proizvodnja.Moglo bi se pomisliti da bi koračni motori bili prikladniji u ovoj vrsti primjene, gdje bi se impulsi mogli koristiti za preciznu kontrolu pozicioniranja.Ali BLDC motori su pogodniji za kontrolu sile.A sa koračnim motorom, zadržavanje pozicije strukture kao što je robotska ruka zahtijevalo bi relativno veliku i kontinuiranu struju.S BLDC motorom, sve što bi bilo potrebno je struja proporcionalna vanjskoj sili – omogućavajući energetski efikasniju kontrolu.BLDC motori također mogu zamijeniti jednostavne brušene istosmjerne motore u kolicima za golf i kolicima za kretanje.Pored svoje bolje efikasnosti, BLDC motori mogu pružiti i precizniju kontrolu—što zauzvrat može dodatno produžiti vijek trajanja baterije.
BLDC motori su takođe idealni za dronove.Njihova sposobnost da isporuče preciznu kontrolu čini ih posebno pogodnim za dronove s više rotora, gdje se položaj drona kontrolira preciznom kontrolom brzine rotacije svakog rotora.
U ovoj sesiji smo vidjeli kako BLDC motori nude odličnu efikasnost, upravljivost i dugovječnost.Ali pažljiva i pravilna kontrola je neophodna da bi se u potpunosti iskoristio potencijal ovih motora.U našoj sljedećoj sesiji ćemo pogledati kako ovi motori rade.
Vrijeme objave: 21.08.2023