Brushless Vs kartáčované stejnosměrné motory: kdy a proč si vybrat jeden nad druhým

stejnosměrné kartáčované motory

stejnosměrné kartáčované motory (obrázek skupiny maxon)

stejnosměrné motory používají vinuté cívky drátu k vytvoření magnetického pole. U kartáčovaného motoru se tyto cívky mohou volně otáčet, aby poháněly hřídel – jsou součástí motoru, který se nazývá „rotor“. Cívky jsou obvykle navinuty kolem železného jádra, i když existují také kartáčované motory, které jsou „bez jádra“, kde je vinutí samo podporováno.

pevná část motoru se nazývá „stator“. Permanentní magnety se používají k zajištění stacionárního magnetického pole. Normálně jsou tyto magnety umístěny na vnitřním povrchu statoru, mimo rotor.

aby se vytvořil točivý moment, který způsobuje rotor, musí se magnetické pole rotoru neustále otáčet, takže jeho pole přitahuje a odpuzuje pevné pole statoru. Pro otáčení pole se používá posuvný elektrický spínač. Spínač se skládá z komutátoru, což je typicky segmentovaný kontakt namontovaný na rotoru, a pevných kartáčů, které jsou namontovány na statoru.

při otáčení rotoru jsou komutátorem neustále zapínány a vypínány různé sady vinutí rotoru. To způsobuje, že cívky rotoru jsou neustále přitahovány a odpuzovány z pevných magnetů statoru, což způsobuje otáčení rotoru.

protože existuje určité mechanické tření mezi kartáči a komutátorem-a protože se jedná o elektrický kontakt, obecně jej nelze mazat-dochází k mechanickému opotřebení kartáčů a komutátoru po celou dobu životnosti motoru. Toto opotřebení nakonec dosáhne bodu, kdy motor již nefunguje. Mnoho kartáčovaných motorů – zejména velkých-má vyměnitelné kartáče, obvykle vyrobené z uhlíku, které jsou navrženy tak, aby udržovaly dobrý kontakt jako opotřebení. Tyto motory vyžadují pravidelnou údržbu. I s vyměnitelnými kartáči se nakonec komutátor také opotřebuje do té míry, že motor musí být vyměněn.

pro pohon kartáčovaného motoru je přes kartáče přivedeno stejnosměrné napětí, které prochází proudem vinutím rotoru, aby se motor roztočil.

v případech, kdy je potřeba otáčení pouze v jednom směru a rychlost nebo točivý moment není třeba řídit, není pro kartáčovaný motor vyžadována žádná elektronika pohonu. V aplikacích, jako je tento, stejnosměrné napětí se jednoduše zapíná a vypíná, aby motor běžel nebo zastavil. To je typické pro nízkonákladové aplikace, jako jsou motorizované hračky. Je-li potřeba obrácení, lze jej provést pomocí dvoupólového spínače.

pro usnadnění řízení otáček, točivého momentu a směru se používá „h-můstek“ složený z elektronických spínačů-tranzistorů, IGBT nebo MOSFETů-pro umožnění pohonu motoru v obou směrech. To umožňuje, aby napětí bylo aplikováno na motor v obou polaritách, což způsobuje, že se motor otáčí v opačných směrech. Otáčky motoru nebo točivý moment mohou být řízeny šířkou impulsu modulací jednoho ze spínačů.

střídavé stejnosměrné motory

střídavé stejnosměrné motory (obrázek maxon group)

střídavé stejnosměrné motory pracují na stejném principu magnetické přitažlivosti a odpuzování jako kartáčové motory, ale jsou konstruovány poněkud odlišně. Namísto mechanického komutátoru a kartáčů se magnetické pole statoru otáčí pomocí elektronické komutace. To vyžaduje použití aktivní řídicí elektroniky.

v bezkartáčovém motoru má rotor připevněné permanentní magnety a stator má vinutí. Bezkartáčové motory mohou být konstruovány s rotorem na vnitřní straně, jak je znázorněno výše, nebo s rotorem na vnější straně vinutí (někdy nazývané“ outrunner “ motor).

počet vinutí použitých v bezkartáčovém motoru se nazývá počet fází. Ačkoli bezkartáčové motory mohou být konstruovány s různým počtem fází, nejběžnější jsou třífázové bezkartáčové motory. Výjimkou jsou malé chladicí ventilátory, které mohou používat pouze jednu nebo dvě fáze.

tři vinutí bezkartáčového motoru jsou připojena v konfiguraci“ hvězda „nebo“ delta“. V obou případech jsou k motoru připojeny tři vodiče a technika pohonu a průběh jsou identické.

se třemi fázemi mohou být motory konstruovány s různými magnetickými konfiguracemi, nazývanými póly. Nejjednodušší 3-fázové motory mají dva póly: rotor má pouze jeden pár magnetických pólů, jeden sever a jeden jih. Motory mohou být také postaveny s více póly, což vyžaduje více magnetických sekcí v rotoru a více vinutí ve statoru. Vyšší počet pólů může poskytnout vyšší výkon, i když velmi vysoké rychlosti jsou lépe dosaženy s nižším počtem pólů.

pro pohon třífázového bezkartáčového motoru musí být každá ze tří fází poháněna buď na vstupní napájecí napětí nebo na zem. K dosažení tohoto cíle se používají tři „poloviční můstkové“ hnací obvody, z nichž každý se skládá ze dvou spínačů. Přepínače mohou být bipolární tranzistory, IGBT nebo MOSFETy, v závislosti na požadovaném napětí a proudu.

existuje řada pohonných technik, které lze použít pro třífázové bezkartáčové motory. Nejjednodušší se nazývá lichoběžníková, bloková nebo 120 stupňová komutace. Lichoběžníková komutace je poněkud podobná komutační metodě používané v stejnosměrném kartáčovém motoru. V tomto schématu je v daném okamžiku jedna ze tří fází připojena k zemi, jedna je ponechána otevřená a druhá je přivedena na napájecí napětí. Pokud je potřeba regulace otáček nebo točivého momentu, obvykle je fáze připojená k napájení modulována šířkou impulsu. Vzhledem k tomu, že fáze se náhle přepínají v každém bodě komutace, zatímco otáčení rotoru je konstantní, dochází při otáčení motoru k určité změně točivého momentu (nazývané zvlnění točivého momentu).

pro vyšší výkon lze použít jiné metody komutace. Sine, nebo 180 stupňů, komutace pohání proud důkladně všechny tři fáze motoru po celou dobu. Elektronika pohonu generuje sinusový proud, i když každá fáze se posunula o 120 stupňů od druhé. Tato technika pohonu minimalizuje zvlnění točivého momentu, stejně jako akustický hluk a vibrace a často se používá pro vysoce výkonné nebo vysoce účinné pohony.

pro správné otáčení pole musí řídicí elektronika znát fyzickou polohu magnetů na rotoru vzhledem ke statoru. Informace o poloze se často získávají pomocí hallových senzorů, které jsou namontovány na statoru. Jak se magnetický rotor otáčí, Hallovy senzory zachycují magnetické pole rotoru. Tyto informace používá elektronika pohonu k průchodu proudu vinutím statoru v pořadí, které způsobuje otáčení rotoru.

pomocí tří Hallových senzorů lze trapézovou komutaci implementovat s jednoduchou kombinační logikou, takže není potřeba žádná sofistikovaná řídicí elektronika. Jiné metody komutace, jako je sinusová komutace, vyžadují trochu sofistikovanější řídicí elektroniku a obvykle používají mikrokontrolér.

kromě poskytování zpětné vazby polohy pomocí hallových senzorů existují různé metody, které lze použít k určení polohy rotoru bez senzorů. Nejjednodušší je sledovat zadní EMF na undriven fázi snímat magnetické pole vzhledem ke statoru. Sofistikovanější řídicí algoritmus, nazývaný Field Oriented Control nebo FOC, vypočítá polohu na základě proudů rotoru a dalších parametrů. FOC obvykle vyžaduje poměrně výkonný procesor, protože existuje mnoho výpočtů, které je třeba provést velmi rychle. To je samozřejmě dražší než jednoduchá lichoběžníková kontrolní metoda.

kartáčované a bezkartáčové motory: výhody a nevýhody

v závislosti na vaší aplikaci existují důvody, proč byste se mohli rozhodnout použít bezkartáčový motor nad kartáčovaným motorem. Následující tabulka shrnuje hlavní výhody a nevýhody každého typu motoru:

	kartáčovaný motor	střídavý motor
životnost	krátká (opotřebení kartáčů)	dlouhá (žádné opotřebení kartáčů)
rychlost a zrychlení	Střední	vysoká
účinnost	Střední	vysoká
elektrický šum	hlučný (oblouk pouzdra)	tichý
akustický šum & zvlnění točivého momentu	špatný	Střední (lichoběžníkový) nebo dobrý (sinusový)
náklady	nejnižší	Střední (přidaná elektronika)

životnost

jak již bylo zmíněno, jednou z nevýhod kartáčovaných motorů je mechanické opotřebení kartáčů a komutátoru. Zejména uhlíkové kartáče jsou obětní a v mnoha motorech jsou navrženy tak, aby byly pravidelně vyměňovány jako součást programu údržby. Měkká měď komutátoru je také pomalu opotřebována kartáči a nakonec dosáhne bodu, kdy motor již nebude fungovat. Protože bezkartáčové motory nemají žádné pohyblivé kontakty, netrpí tímto opotřebením.

rychlost a zrychlení

otáčky kartáčovaných motorů mohou být omezeny kartáči a komutátorem, jakož i hmotností rotoru. Při velmi vysokých rychlostech může být kontakt kartáče s komutátorem nepravidelný a Oblouk štětce se zvyšuje. Většina kartáčovaných motorů také používá jádro vrstveného železa v rotoru, což jim dává velkou Rotační setrvačnost. To omezuje rychlost zrychlení a zpomalení motoru. Na rotoru je možné postavit bezkartáčový motor s velmi silnými magnety vzácných zemin, což minimalizuje Rotační setrvačnost. To samozřejmě zvyšuje náklady.

elektrický šum

kartáče a komutátor tvoří druh elektrického spínače. Jak se motor otáčí, spínače se otevírají a zavírají, zatímco vinutím rotoru protéká významný proud, který je induktivní. To má za následek oblouk na kontaktech. To vytváří velké množství elektrického šumu, který se může spojit do citlivých obvodů. Oblouk může být poněkud zmírněn přidáním kondenzátorů nebo RC snubbers přes kartáče, ale okamžité přepínání komutátoru vždy generuje nějaký elektrický šum.

akustický šum

kartáčované motory jsou „tvrdě spínány“ – to znamená, že proud se náhle pohybuje z jednoho vinutí do druhého. Generovaný točivý moment se mění v průběhu otáčení rotoru, když se vinutí zapínají a vypínají. S bezkartáčovým motorem je možné řídit proudy vinutí způsobem, který postupně přechází proud z jednoho vinutí do druhého. To snižuje zvlnění točivého momentu, což je mechanické pulzování energie na rotor. Zvlnění točivého momentu způsobuje vibrace a mechanický hluk, zejména při nízkých otáčkách rotoru.

náklady

vzhledem k tomu, že bezkartáčové motory vyžadují sofistikovanější elektroniku, celkové náklady na bezkartáčový pohon jsou vyšší než náklady na kartáčový motor. I když je výroba bezkartáčového motoru jednodušší než kartáčovaný motor, protože postrádá kartáče a komutátor, technologie kartáčovaného motoru je velmi vyspělá a výrobní náklady jsou nízké. To se mění s tím, jak se střídavé motory stávají populárnějšími, zejména ve velkých objemových aplikacích, jako jsou automobilové motory. Také náklady na elektroniku, stejně jako mikrokontroléry, stále klesají, což činí bezkartáčové motory atraktivnějšími.

shrnutí

vzhledem k klesajícím nákladům a lepšímu výkonu získávají bezkartáčové motory popularitu v mnoha aplikacích. Stále však existují místa, kde kartáčované motory dávají větší smysl.

mnoho se lze naučit při pohledu na přijetí bezkartáčových motorů v automobilech. Od roku 2020 se většina motorů, které běží vždy, když auto běží – věci jako čerpadla a ventilátory – přesunuly z kartáčovaných motorů na bezkartáčové motory pro jejich zvýšenou spolehlivost. Přidané náklady na motor a elektroniku více než vynahrazují nižší míru poruch v terénu a snížené požadavky na údržbu.

na druhé straně motory, které jsou provozovány zřídka – například motory, které pohybují výkonovými sedadly a elektricky ovládanými okny – zůstaly převážně kartáčovými motory. Důvodem je, že celková doba běhu po celou dobu životnosti automobilu je velmi malá a je velmi nepravděpodobné, že motory po celou dobu životnosti automobilu selžou.

vzhledem k tomu, že náklady na bezkartáčové motory a jejich přidruženou elektroniku stále klesají, bezkartáčové motory si hledají cestu do aplikací, které tradičně drží kartáčované motory. Jako další příklad z automobilového světa používají motory seřízení sedadel v high-end kartě bezkartáčové motory, protože generují méně akustického hluku.

získejte technickou podporu