Harjattomat moottorit ovat erilaisia sähkömoottoreita, jotka toisin kuin perinteiset harja- tai hiilimoottorit, hiilen poisto harjattomissa moottoreissa lisää näiden moottoreiden tehokkuutta ja pitkäikäisyyttä perinteisiin hiilimoottoreihin verrattuna.
Harjattomien moottoreiden lukuisten etujen ansiosta monet työkalumme käyttävät harjattomia moottoreita täydentämään sinua ainutlaatuisella tehollaan kaikissa tilanteissa.Pidempi käyttöikä, kevyt paino ja vähemmän melua ovat ominaisuuksia, jotka erottavat nämä moottorit hiilikäyttöisistä moottoreista.
Moottorit ovat tehonsyöttökoneita
Kun insinöörit kohtaavat haasteen suunnitella sähkölaitteita suorittamaan mekaanisia tehtäviä, he saattavat miettiä, kuinka sähköiset signaalit muunnetaan energiaksi.Toimilaitteet ja moottorit ovat siis niitä laitteita, jotka muuttavat sähköiset signaalit liikkeeksi.Moottorit vaihtavat sähköenergiaa mekaaniseksi energiaksi.
Yksinkertaisin moottorityyppi on harjattu DC-moottori.Tämäntyyppisissä moottoreissa sähkövirta johdetaan käämien läpi, jotka on järjestetty kiinteään magneettikenttään.Virta synnyttää magneettikenttiä keloihin;tämä saa kelakokoonpanon pyörimään, kun jokainen kela työnnetään pois samankaltaisesta napasta ja vedetään kohti kiinteän kentän erilaista napaa.Pyörimisen ylläpitämiseksi on välttämätöntä jatkuvasti kääntää virtaa toisinpäin, jotta kelojen napaisuus muuttuu jatkuvasti, jolloin kelat jatkavat toisin kuin kiinteiden napojen "jahtaamista".Virta keloihin syötetään kiinteiden johtavien harjojen kautta, jotka ovat kosketuksissa pyörivään kommutaattoriin;se on kommutaattorin pyöriminen, joka aiheuttaa käämien läpi kulkevan virran kääntymisen.Kommutaattori ja harjat ovat avainkomponentteja, jotka erottavat harjatun tasavirtamoottorin muista moottoreista.Kuvassa 1 on havainnollistettu harjatun moottorin yleisperiaatetta.
Kuva 1: Harjatun tasavirtamoottorin toiminta.
Kiinteät harjat syöttävät sähköenergiaa pyörivään kommutaattoriin.Kun kommutaattori pyörii, se kääntää jatkuvasti virran suuntaa käämiin ja kääntää kelan napaisuuden niin, että kelat jatkavat pyörimistään oikealle.Kommutaattori pyörii, koska se on kiinnitetty roottoriin, johon kelat on asennettu.
Moottorit vaihtelevat tehotyypin (AC tai DC) ja pyörimismenetelmänsä mukaan (kuva 2).Alla tarkastellaan lyhyesti kunkin tyypin ominaisuuksia ja käyttötarkoituksia.
Erityyppiset moottorit
Harjattuja tasavirtamoottoreita, joissa on yksinkertainen rakenne ja helppo ohjaus, käytetään laajalti levypesän avaamiseen ja sulkemiseen.Autoissa niitä käytetään usein sähkökäyttöisten sivuikkunoiden sisään-, ulostyöntämiseen ja sijoittamiseen.Näiden moottoreiden alhaiset kustannukset tekevät niistä sopivia moneen käyttöön.Yksi haittapuoli on kuitenkin se, että harjat ja kommutaattorit kuluvat suhteellisen nopeasti jatkuvan kosketuksen seurauksena, mikä vaatii usein vaihtoa ja säännöllistä huoltoa.
Askelmoottoria ohjataan pulsseilla;se pyörii tietyn kulman (askeleen) läpi jokaisella pulssilla.Koska kiertoa ohjataan tarkasti vastaanotettujen pulssien lukumäärällä, näitä moottoreita käytetään laajalti asennonsäätöjen toteuttamiseen.Niitä käytetään usein esimerkiksi paperinsyötön ohjaamiseen faksilaitteissa ja tulostimissa, koska nämä laitteet syöttävät paperia kiinteissä vaiheissa, jotka ovat helposti korreloitavissa pulssilaskennan kanssa.Taukoa voidaan myös ohjata helposti, koska moottorin pyöriminen pysähtyy välittömästi pulssisignaalin katketessa.
Synkronisissa moottoreissa pyöriminen on synkronista syöttövirran taajuuden kanssa.Näitä moottoreita käytetään usein pyörivien levyjen pyörittämiseen mikroaaltouunissa;moottoriyksikön alennusvaihteita voidaan käyttää sopivan pyörimisnopeuden saamiseksi ruoan lämmittämiseen.Myös induktiomoottoreissa pyörimisnopeus vaihtelee taajuuden mukaan;mutta liike ei ole synkroninen.Aiemmin näitä moottoreita käytettiin usein sähköpuhaltimissa ja pesukoneissa.
Yleisessä käytössä on erilaisia moottoreita.Tässä istunnossa tarkastellaan harjattomien tasavirtamoottoreiden etuja ja sovelluksia.
Miksi BLDC-moottorit pyörivät?
Kuten niiden nimestä voi päätellä, harjattomat DC-moottorit eivät käytä harjoja.Harjatuissa moottoreissa harjat syöttävät virran kommutaattorin kautta roottorin keloihin.Joten miten harjaton moottori siirtää virran roottorin keloihin?Ei, koska kelat eivät ole roottorissa.Sen sijaan roottori on kestomagneetti;kelat eivät pyöri, vaan ne on sen sijaan kiinnitetty paikoilleen staattoriin.Koska kelat eivät liiku, harjoja ja kommutaattoria ei tarvita.(Katso kuva 3.)
Harjatulla moottorilla pyöriminen saavutetaan ohjaamalla roottorin kelojen synnyttämiä magneettikenttiä, kun taas paikallaan olevien magneettien synnyttämä magneettikenttä pysyy kiinteänä.Pyörimisnopeuden muuttamiseksi muutat käämien jännitettä.BLDC-moottorilla se on kestomagneetti, joka pyörii;pyöriminen saavutetaan muuttamalla ympäröivien kiinteiden kelojen synnyttämien magneettikenttien suuntaa.Pyörimistä ohjataan säätämällä näihin keloihin tulevan virran suuruutta ja suuntaa.
Koska roottori on kestomagneetti, se ei tarvitse virtaa, joten harjoja ja kommutaattoria ei tarvita.Kiinteiden kelojen virtaa ohjataan ulkopuolelta.
BLDC-moottorien edut
BLDC-moottorissa, jossa on kolme käämiä staattorissa, on kuusi sähköjohtoa (kaksi kumpaankin käämiin), jotka ulottuvat näistä keloista.Useimmissa toteutuksissa kolme näistä johtimista kytketään sisäisesti, ja loput kolme johtoa ulottuvat moottorin rungosta (toisin kuin aiemmin kuvatut kaksi johtoa, jotka ulottuvat harjatusta moottorista).BLDC-moottorikotelon johdotus on monimutkaisempaa kuin pelkkä tehokennon positiivisten ja negatiivisten napojen kytkeminen;tarkastelemme tarkemmin näiden moottorien toimintaa tämän sarjan toisessa istunnossa.Alla päätämme tarkastelemalla BLDC-moottoreiden etuja.
Yksi suuri etu on tehokkuus, koska nämä moottorit voivat ohjata jatkuvasti suurimmalla pyörimisvoimalla (vääntömomentilla).Harjatut moottorit sitä vastoin saavuttavat suurimman vääntömomentin vain tietyissä pyörimispisteissä.Jotta harjattu moottori tuottaa saman vääntömomentin kuin harjaton malli, se tarvitsee suurempia magneetteja.Tästä syystä pienetkin BLDC-moottorit voivat tuottaa huomattavan tehon.
Toinen suuri etu, joka liittyy ensimmäiseen, on hallittavuus.BLDC-moottoreita voidaan ohjata takaisinkytkentämekanismien avulla antamaan täsmälleen haluttu vääntömomentti ja pyörimisnopeus.Tarkka ohjaus puolestaan vähentää energiankulutusta ja lämmöntuotantoa ja pidentää akun käyttöikää, jos moottorit ovat akkukäyttöisiä.
BLDC-moottorit tarjoavat myös korkean kestävyyden ja alhaisen sähköisen melutason harjojen puutteen ansiosta.Harjatuissa moottoreissa harjat ja kommutaattori kuluvat jatkuvan liikkuvan kosketuksen seurauksena ja aiheuttavat myös kipinöitä kosketuskohdassa.Erityisesti sähköinen melu johtuu voimakkaista kipinöistä, joita esiintyy alueilla, joilla harjat kulkevat kommutaattorin rakojen yli.Tästä syystä BLDC-moottoreita pidetään usein suositeltavina sovelluksissa, joissa on tärkeää välttää sähköistä melua.
Ihanteelliset sovellukset BLDC-moottoreille
Olemme nähneet, että BLDC-moottorit tarjoavat korkean hyötysuhteen ja hallittavuuden ja että niillä on pitkä käyttöikä.Joten mihin ne ovat hyviä?Tehokkuutensa ja pitkäikäisyytensä vuoksi niitä käytetään laajalti laitteissa, jotka toimivat jatkuvasti.Niitä on pitkään käytetty pesukoneissa, ilmastointilaitteissa ja muussa kulutuselektroniikassa;ja viime aikoina ne ovat ilmestyneet tuulettimiin, joissa niiden korkea hyötysuhde on vähentänyt merkittävästi virrankulutusta.
Niitä käytetään myös alipainekoneiden ohjaamiseen.Yhdessä tapauksessa ohjausohjelman muutos johti suureen hyppyyn pyörimisnopeudessa - esimerkkinä näiden moottoreiden tarjoamasta ylivertaisesta ohjattavuudesta.
BLDC-moottoreita käytetään myös kiintolevyasemien pyörittämiseen, jolloin niiden kestävyys pitää asemat toiminnassa luotettavasti pitkällä aikavälillä, kun taas niiden tehotehokkuus vähentää energiaa alueella, jolla tästä on tulossa yhä tärkeämpää.
Kohti laajempaa käyttöä tulevaisuudessa
Odotamme BLDC-moottoreita käytettävän tulevaisuudessa useissa sovelluksissa.Niitä käytetään todennäköisesti laajalti esimerkiksi palvelurobottien ohjaamiseen – pieniin robotteihin, jotka tarjoavat palveluita muillakin aloilla kuin valmistuksessa.Voisi ajatella, että askelmoottorit sopisivat paremmin tämäntyyppisiin sovelluksiin, joissa pulsseilla voitaisiin ohjata tarkasti paikannusta.Mutta BLDC-moottorit sopivat paremmin voiman hallintaan.Ja askelmoottorilla rakenteen, kuten robottivarren, asennon pitäminen vaatisi suhteellisen suuren ja jatkuvan virran.BLDC-moottorilla tarvittaisiin vain ulkoiseen voimaan suhteutettu virta, mikä mahdollistaa tehokkaamman ohjauksen.BLDC-moottorit saattavat myös korvata yksinkertaiset harjatut tasavirtamoottorit golfkärryissä ja liikkuvissa vaunuissa.Paremman hyötysuhteensa lisäksi BLDC-moottorit voivat tarjota myös tarkempaa ohjausta, mikä puolestaan voi pidentää akun käyttöikää entisestään.
BLDC-moottorit sopivat myös droneihin.Niiden tarkkuusohjauksen kyky tekee niistä erityisen sopivia moniroottorisille droneille, joissa dronin asentoa ohjataan säätämällä tarkasti kunkin roottorin pyörimisnopeutta.
Tässä istunnossa olemme nähneet kuinka BLDC-moottorit tarjoavat erinomaisen tehokkuuden, hallittavuuden ja pitkäikäisyyden.Mutta huolellinen ja asianmukainen ohjaus on välttämätöntä, jotta näiden moottoreiden potentiaalia voidaan hyödyntää täysimääräisesti.Seuraavassa istunnossamme tarkastellaan näiden moottorien toimintaa.
Postitusaika: 21.8.2023