Brezkrtačni motorji so različni električni motorji, ki za razliko od običajnih motorjev s krtačo ali motorjem na oglje Odstranjevanje oglja pri brezkrtačnih motorjih poveča učinkovitost in dolgo življenjsko dobo teh motorjev v primerjavi z običajnimi motorji na oglje.
Zaradi številnih prednosti brezkrtačnih motorjev naša številna orodja uporabljajo brezkrtačne motorje, da vas s svojo edinstveno močjo spremljajo v vsaki situaciji.Daljša življenjska doba, majhna teža in manj hrupa so med značilnostmi, po katerih se ti motorji razlikujejo od motorjev na premog.
Motorji so stroji za dostavo energije
Ko se inženirji soočajo z izzivom oblikovanja električne opreme za opravljanje mehanskih nalog, lahko razmišljajo o tem, kako se električni signali pretvorijo v energijo.Tako so aktuatorji in motorji med napravami, ki pretvarjajo električne signale v gibanje.Motorji izmenjujejo električno energijo z mehansko.
Najenostavnejši tip motorja je brušeni enosmerni motor.Pri tej vrsti motorja električni tok teče skozi tuljave, ki so razporejene znotraj fiksnega magnetnega polja.Tok ustvarja magnetna polja v tuljavah;to povzroči, da se sklop tuljave vrti, saj je vsaka tuljava potisnjena stran od podobnega pola in povlečena proti nasprotnemu polu fiksnega polja.Da bi ohranili vrtenje, je potrebno nenehno obračati tok - tako da se bodo polaritete tuljav nenehno obračale, kar bo povzročilo, da bodo tuljave še naprej "lovile" drugačne fiksne pole.Napajanje tuljav se napaja preko fiksnih prevodnih ščetk, ki so v stiku z vrtljivim komutatorjem;je vrtenje komutatorja tisto, ki povzroči obračanje toka skozi tuljave.Komutator in ščetke so ključne komponente, po katerih se brušeni enosmerni motor razlikuje od drugih vrst motorjev.Slika 1 prikazuje splošno načelo brušenega motorja.
Slika 1: Delovanje brušenega enosmernega motorja.
Fiksne ščetke dovajajo električno energijo vrtljivemu komutatorju.Ko se komutator vrti, nenehno obrača smer toka v tuljave in obrne polaritete tuljav, tako da tuljave ohranjajo vrtenje v desno.Komutator se vrti, ker je pritrjen na rotor, na katerem so nameščene tuljave.
Motorji se razlikujejo glede na vrsto moči (AC ali DC) in način ustvarjanja vrtenja (slika 2).Spodaj si na kratko ogledamo značilnosti in uporabo vsake vrste.
Različne vrste motorjev
Brušeni enosmerni motorji, ki se ponašajo s preprosto zasnovo in enostavnim upravljanjem, se pogosto uporabljajo za odpiranje in zapiranje pladnjev za diske.V avtomobilih se pogosto uporabljajo za navijanje, podaljšanje in nameščanje bočnih stekel z električnim pogonom.Zaradi nizke cene teh motorjev so primerni za številne namene.Ena od pomanjkljivosti pa je, da se ščetke in komutatorji relativno hitro obrabijo zaradi nenehnega stika, kar zahteva pogosto menjavo in redno vzdrževanje.
Koračni motor poganjajo impulzi;z vsakim impulzom se zavrti za določen kot (korak).Ker je vrtenje natančno nadzorovano s številom prejetih impulzov, se ti motorji pogosto uporabljajo za izvajanje prilagoditev položaja.Pogosto se uporabljajo na primer za krmiljenje podajanja papirja v faksih in tiskalnikih – saj te naprave podajajo papir v fiksnih korakih, ki jih je enostavno povezati s številom impulzov.Premor je mogoče enostavno nadzorovati, saj se vrtenje motorja takoj ustavi, ko je impulzni signal prekinjen.
Pri sinhronih motorjih je vrtenje sinhrono s frekvenco napajalnega toka.Ti motorji se pogosto uporabljajo za pogon vrtljivih pladnjev v mikrovalovnih pečicah;z reduktorji v motorni enoti lahko dosežemo ustrezne vrtilne hitrosti za segrevanje hrane.Tudi pri indukcijskih motorjih se hitrost vrtenja spreminja s frekvenco;vendar gibanje ni sinhrono.V preteklosti so se ti motorji pogosto uporabljali v električnih ventilatorjih in pralnih strojih.
V splošni uporabi so različne vrste motorjev.V tej seji si ogledamo prednosti in uporabo brezkrtačnih enosmernih motorjev.
Zakaj se motorji BLDC vrtijo?
Kot pove njihovo ime, brezkrtačni enosmerni motorji ne uporabljajo ščetk.Pri brušenih motorjih ščetke dovajajo tok skozi komutator v tuljave na rotorju.Torej, kako brezkrtačni motor prenaša tok na tuljave rotorja?Ne – ker tuljave niso nameščene na rotorju.Namesto tega je rotor trajni magnet;tuljave se ne vrtijo, temveč so pritrjene na statorju.Ker se tuljave ne premikajo, ni potrebe po ščetkah in komutatorju.(Glejte sliko 3.)
Pri brušenem motorju se vrtenje doseže s krmiljenjem magnetnih polj, ki jih ustvarjajo tuljave na rotorju, medtem ko magnetno polje, ki ga ustvarjajo stacionarni magneti, ostane nespremenljivo.Če želite spremeniti hitrost vrtenja, spremenite napetost za tuljave.Pri motorju BLDC je trajni magnet tisti, ki se vrti;vrtenje se doseže s spreminjanjem smeri magnetnih polj, ki jih ustvarjajo okoliške stacionarne tuljave.Za nadzor vrtenja prilagodite velikost in smer toka v te tuljave.
Ker je rotor trajni magnet, ne potrebuje toka, kar odpravlja potrebo po ščetkah in komutatorju.Tok do fiksnih tuljav je nadzorovan od zunaj.
Prednosti motorjev BLDC
Motor BLDC s tremi tuljavami na statorju bo imel šest električnih žic (dve na vsako tuljavo), ki segajo iz teh tuljav.V večini izvedb bodo tri od teh žic povezane interno, pri čemer bodo tri preostale žice segale iz ohišja motorja (v nasprotju z dvema žicama, ki segata od prej opisanega brušenega motorja).Ožičenje v ohišju motorja BLDC je bolj zapleteno kot preprosto povezovanje pozitivnih in negativnih sponk napajalne celice;kako ti motorji delujejo, si bomo podrobneje ogledali v drugi seji te serije.Spodaj zaključujemo s pogledom na prednosti motorjev BLDC.
Ena velika prednost je učinkovitost, saj lahko ti motorji neprekinjeno krmilijo največjo rotacijsko silo (navor).V nasprotju s tem brušeni motorji dosežejo največji navor le na določenih točkah vrtenja.Da bi brušeni motor zagotavljal enak navor kot brezkrtačni model, bi morali uporabiti večje magnete.Zato lahko tudi majhni BLDC motorji zagotovijo precejšnjo moč.
Druga velika prednost - povezana s prvo - je nadzor.Motorje BLDC je mogoče krmiliti z uporabo povratnih mehanizmov, da zagotovijo natančno želeni navor in hitrost vrtenja.Natančno krmiljenje zmanjša porabo energije in proizvodnjo toplote ter – v primerih, ko se motorji napajajo iz baterij – podaljša življenjsko dobo baterije.
Motorji BLDC nudijo tudi visoko vzdržljivost in nizek električni hrup, zahvaljujoč pomanjkanju ščetk.Pri motorjih s krtačkami se krtače in komutator obrabijo zaradi neprekinjenega gibajočega se stika in prav tako proizvajajo iskre, kjer pride do stika.Električni hrup je zlasti posledica močnih isker, ki se ponavadi pojavijo na območjih, kjer ščetke prehajajo čez reže v komutatorju.Zato se motorji BLDC pogosto štejejo za prednostne v aplikacijah, kjer se je pomembno izogniti električnemu šumu.
Idealne aplikacije za motorje BLDC
Videli smo, da motorji BLDC ponujajo visoko učinkovitost in možnost nadzora ter dolgo življenjsko dobo.Za kaj so torej dobri?Zaradi svoje učinkovitosti in dolgoživosti se pogosto uporabljajo v napravah, ki delujejo neprekinjeno.Že dolgo se uporabljajo v pralnih strojih, klimatskih napravah in drugi potrošniški elektroniki;v zadnjem času pa se pojavljajo pri ventilatorjih, kjer so s svojim visokim izkoristkom prispevali k občutnemu zmanjšanju porabe energije.
Uporabljajo se tudi za pogon vakuumskih strojev.V enem primeru je sprememba krmilnega programa povzročila velik skok vrtilne hitrosti - primer vrhunske vodljivosti, ki jo ponujajo ti motorji.
Motorji BLDC se uporabljajo tudi za vrtenje trdih diskov, kjer njihova vzdržljivost zagotavlja dolgoročno zanesljivo delovanje pogonov, medtem ko njihova energetska učinkovitost prispeva k zmanjšanju energije na področju, kjer to postaja vse bolj pomembno.
K širši uporabi v prihodnosti
V prihodnosti lahko pričakujemo uporabo motorjev BLDC v širšem obsegu aplikacij.Verjetno jih bodo na primer pogosto uporabljali za poganjanje servisnih robotov – majhnih robotov, ki zagotavljajo storitve na področjih, ki niso proizvodnja.Lahko bi mislili, da bi bili koračni motorji bolj primerni za to vrsto uporabe, kjer bi lahko impulze uporabili za natančno kontrolo pozicioniranja.Toda motorji BLDC so bolj primerni za nadzor sile.In s koračnim motorjem bi držanje položaja strukture, kot je robotska roka, zahtevalo razmeroma velik in stalen tok.Pri motorju BLDC bi bil potreben le tok, ki je sorazmeren z zunanjo silo, kar bi omogočilo učinkovitejši nadzor.Motorji BLDC morda tudi nadomeščajo enostavne brušene enosmerne motorje v vozičkih za golf in vozičkih za mobilnost.Poleg boljše učinkovitosti lahko motorji BLDC zagotavljajo tudi natančnejši nadzor, kar lahko dodatno podaljša življenjsko dobo baterije.
Motorji BLDC so idealni tudi za drone.Zaradi njihove zmožnosti zagotavljanja natančnega nadzora so še posebej primerni za drone z več rotorji, kjer se položaj drona nadzoruje z natančnim nadzorom hitrosti vrtenja vsakega rotorja.
V tej seji smo videli, kako motorji BLDC ponujajo odlično učinkovitost, možnost nadzora in dolgo življenjsko dobo.Toda skrben in ustrezen nadzor je bistvenega pomena za popoln izkoristek potenciala teh motorjev.V naši naslednji seji si bomo ogledali, kako ti motorji delujejo.
Čas objave: 21. avgusta 2023