kefe nélküli Vs szálcsiszolt egyenáramú motorok: mikor és Miért válasszon egyet a másik felett

egyenáramú szálcsiszolt motorok

egyenáramú szálcsiszolt motorok (kép: maxon group)

egyenáramú motorok tekercselt huzalokat használnak mágneses mező létrehozásához. Egy szálcsiszolt motorban ezek a tekercsek szabadon foroghatnak egy tengely meghajtásához-ezek a motor azon részei, amelyeket “rotornak”hívnak. A tekercseket általában egy vasmag köré tekerik, bár vannak olyan csiszolt motorok is, amelyek “mag nélküliek”, ahol a tekercs önhordó.

a motor rögzített részét “állórésznek”nevezzük. Állandó mágneseket használnak álló mágneses mező biztosítására. Általában ezek a mágnesek az állórész belső felületén helyezkednek el, a rotoron kívül.

a forgórész forgását lehetővé tevő nyomaték létrehozásához a forgórész mágneses mezőjének folyamatosan forognia kell, hogy a mező vonzza és taszítsa az állórész rögzített mezőjét. A mező forgatásához csúszó elektromos kapcsolót használnak. A kapcsoló a kommutátorból áll, amely jellemzően a forgórészre szerelt szegmentált érintkező, valamint az állórészre szerelt rögzített kefék.

a rotor fordulásakor a kommutátor folyamatosan be-és kikapcsolja a rotortekercsek különböző készleteit. Ez azt eredményezi, hogy a rotor tekercsei folyamatosan vonzódnak és taszítják az állórész rögzített mágneseit, ami a rotor centrifugálását eredményezi.

mivel a kefék és a kommutátor között van némi mechanikai súrlódás – és mivel ez egy elektromos érintkezés, általában nem kenhető -, a kefék és a kommutátor mechanikai kopása van a motor élettartama alatt. Ez a kopás végül eléri azt a pontot, ahol a motor már nem működik. Sok szálcsiszolt motor – különösen a nagy motorok – cserélhető kefékkel rendelkeznek, jellemzően szénből, amelyeket úgy terveztek, hogy kopásként jó kapcsolatot tartsanak fenn. Ezek a motorok rendszeres karbantartást igényelnek. Még cserélhető kefékkel is, végül a kommutátor olyan mértékben visel, hogy a motort ki kell cserélni.

szálcsiszolt motor meghajtásához egyenáramú feszültséget kell alkalmazni a keféken, amely áramot vezet át a forgórész tekercsein, hogy a motor forogjon.

azokban az esetekben, amikor a forgás csak egy irányban szükséges, és a sebességet vagy a nyomatékot nem kell szabályozni, a csiszolt motorhoz egyáltalán nincs szükség hajtáselektronikára. Az ilyen alkalmazásokban az egyenáramú feszültséget egyszerűen be-és kikapcsolják, hogy a motor működjön vagy leálljon. Ez jellemző az alacsony költségű alkalmazásokban, mint például a motoros játékok. Ha megfordításra van szükség, akkor ezt kettős pólusú kapcsolóval lehet elérni.

a sebesség, a nyomaték és az irány szabályozásának megkönnyítése érdekében elektronikus kapcsolókból-tranzisztorokból, IGBT – kből vagy MOSFET – ből-álló “H-hidat” használnak a motor mindkét irányba történő meghajtására. Ez lehetővé teszi a feszültség mindkét polaritású motorra történő alkalmazását, ami a motort ellentétes irányba forgatja. A motor fordulatszámát vagy nyomatékát az egyik kapcsoló impulzusszélességének modulálásával lehet szabályozni.

a kefe nélküli egyenáramú motorok

a kefe nélküli egyenáramú motorok (kép: maxon group)

a kefe nélküli egyenáramú motorok ugyanazon a mágneses vonzás és taszítás elvén működnek, mint a kefemotorok, de kissé másképp vannak felépítve. Mechanikus kommutátor és kefék helyett az állórész mágneses mezőjét elektronikus kommutációval forgatják. Ehhez aktív vezérlő elektronika használata szükséges.

kefe nélküli motorban a rotorhoz állandó mágnesek vannak rögzítve, az állórész tekercsekkel rendelkezik. A kefe nélküli motorokat úgy lehet kialakítani, hogy a rotor belül van, a fentiek szerint, vagy a rotor a tekercsek külső oldalán (néha “outrunner” motornak hívják).

a kefe nélküli motorban használt tekercsek számát a fázisok számának nevezzük. Bár a kefe nélküli motorok különböző fázisszámokkal építhetők, a háromfázisú kefe nélküli motorok a leggyakoribbak. Kivételt képeznek a kis hűtőventilátorok, amelyek csak egy vagy két fázist használhatnak.

a kefe nélküli motor három tekercse “csillag” vagy “delta” konfigurációban van összekötve. Mindkét esetben három vezeték csatlakozik a motorhoz, és a hajtástechnika és a hullámforma azonos.

három fázissal a motorok különböző mágneses konfigurációkkal, pólusoknak nevezhetők. A legegyszerűbb 3 fázisú motoroknak két pólusa van: a rotornak csak egy pár mágneses pólusa van, egy északi és egy déli. A motorok több pólussal is építhetők, ami több mágneses szakaszt igényel a rotorban, és több tekercset az állórészben. A magasabb Pólusszám nagyobb teljesítményt nyújthat, bár a nagyon nagy sebességek jobban teljesíthetők alacsonyabb pólusszámmal.

háromfázisú kefe nélküli motor meghajtásához a három fázis mindegyikének képesnek kell lennie a bemeneti tápfeszültségre vagy a földelésre. Ennek megvalósításához három” félhíd ” meghajtó áramkört használnak, amelyek mindegyike két kapcsolóból áll. A kapcsolók lehetnek bipoláris tranzisztorok, IGBT-k vagy MOSFET-ek, a szükséges feszültségtől és áramtól függően.

számos Hajtástechnika alkalmazható háromfázisú kefe nélküli motorokhoz. A legegyszerűbbet trapéz, blokk vagy 120 fokos kommutációnak nevezik. A trapéz alakú kommutáció némileg hasonlít az egyenáramú kefemotorban alkalmazott kommutációs módszerhez. Ebben a sémában bármikor a három fázis egyike a földhöz van csatlakoztatva, az egyik nyitva marad, a másik pedig a tápfeszültségre van hajtva. Ha sebesség-vagy nyomatékszabályozásra van szükség, általában a tápellátáshoz csatlakoztatott fázis impulzusszélesség-Modulált. Mivel a fázisokat minden egyes kommutációs ponton hirtelen kapcsolják, miközben a rotor forgása állandó, a motor forgásakor a nyomaték némi eltérése (az úgynevezett nyomaték hullámzása) van.

a nagyobb teljesítmény érdekében más kommutációs módszerek is használhatók. Szinusz, vagy 180 fokos, a kommutáció folyamatosan hajtja az áramot mindhárom motorfázisban. A meghajtó elektronika szinuszos áramot generál, bár mindegyik fázis 120 fokkal eltolódik a másiktól. Ez a hajtástechnika minimalizálja a nyomaték hullámzását, valamint az akusztikus zajt és rezgést, és gyakran használják nagy teljesítményű vagy nagy hatékonyságú hajtásokhoz.

a mező megfelelő elforgatásához a vezérlőelektronikának ismernie kell a mágnesek fizikai helyzetét a rotoron az állórészhez viszonyítva. Gyakran előfordul, hogy a helyzetinformációkat az állórészre szerelt Hall-érzékelőkkel nyerik. Amint a mágneses rotor elfordul, a Hall érzékelők felveszik a rotor mágneses mezőjét. Ezt az információt a meghajtó elektronika használja az áram áthaladására az állórész tekercsein olyan sorrendben, amely a rotor forogását okozza.

három Hall-érzékelő segítségével a trapéz alakú kommutáció egyszerű kombinációs logikával valósítható meg, így nincs szükség kifinomult vezérlőelektronikára. Más kommutációs módszerek, mint a szinusz kommutáció, egy kicsit kifinomultabb vezérlő elektronikát igényelnek, és általában mikrokontrollert alkalmaznak.

a Hall-érzékelőkkel történő helyzetvisszajelzés mellett különféle módszerek is használhatók a rotor helyzetének érzékelők nélküli meghatározására. A legegyszerűbb a hátsó EMF monitorozása egy nem hajtott fázisban, hogy érzékelje a mágneses mezőt az állórészhez képest. Egy kifinomultabb vezérlési algoritmus, az úgynevezett Field Oriented Control vagy FOC, a rotoráramok és más paraméterek alapján számítja ki a pozíciót. A FOC általában meglehetősen nagy teljesítményű processzort igényel, mivel sok számítást nagyon gyorsan kell elvégezni. Ez természetesen költségesebb, mint egy egyszerű trapéz vezérlési módszer.

szálcsiszolt és kefe nélküli motorok: előnyök és hátrányok

alkalmazásától függően számos oka van annak, hogy miért választja a kefe nélküli motort a szálcsiszolt motor helyett. Az alábbi táblázat összefoglalja az egyes motortípusok fő előnyeit és hátrányait:

	kefe nélküli motor	kefe nélküli motor
élettartam	rövid (a kefék elhasználódnak)	hosszú (nem kell kefét viselni)
sebesség és gyorsulás	közepes	magas
hatékonyság	közepes	magas
elektromos zaj	zajos (bokor ív)	Csendes
akusztikus zaj & nyomaték Fodrozódás	gyenge	közepes (trapéz alakú) vagy jó (szinusz)
költség	legalacsonyabb	közepes (hozzáadott elektronika)

élettartam

mint korábban említettük, a csiszolt motorok egyik hátránya, hogy a kefék és a kommutátor mechanikai kopása van. Különösen a szénkefék áldozati jellegűek, és sok motorban úgy tervezték őket, hogy egy karbantartási program részeként rendszeresen cseréljék őket. A kommutátor puha rézét a kefék is lassan elhasználják, végül eléri azt a pontot, ahol a motor már nem működik. Mivel a kefe nélküli motoroknak nincs mozgó érintkezője, nem szenvednek ettől a kopástól.

sebesség és gyorsulás

a szálcsiszolt motorok forgási sebességét a kefék és a kommutátor, valamint a forgórész tömege korlátozhatja. Nagyon nagy sebességnél a kefe-kommutátor érintkezés szabálytalan lehet, és a kefe íve növekszik. A legtöbb szálcsiszolt motor laminált vasmagot is használ a rotorban, ami nagy forgási tehetetlenséget eredményez számukra. Ez korlátozza a motor gyorsulását és lassulását. Lehetőség van egy kefe nélküli motor felépítésére nagyon erős ritkaföldfém mágnesekkel a rotoron, ami minimalizálja a forgási tehetetlenséget. Természetesen ez növeli a költségeket.

elektromos zaj

a kefék és a kommutátor egyfajta elektromos kapcsolót alkotnak. Ahogy a motor forog, a kapcsolók kinyílnak és bezáródnak, miközben jelentős áram folyik át az induktív rotortekercseken. Ez az érintkezők ívelését eredményezi. Ez nagy mennyiségű elektromos zajt generál, amely érzékeny áramkörökbe kapcsolható. Az ívelés némileg enyhíthető kondenzátorok vagy RC snubberek hozzáadásával a keféken, de a kommutátor pillanatnyi kapcsolása mindig generál némi elektromos zajt.

akusztikus zaj

a szálcsiszolt motorok “keményen kapcsoltak” – vagyis az áram hirtelen mozog az egyik tekercsről a másikra. A generált nyomaték a forgórész forgása során változik, amikor a tekercsek be-és kikapcsolódnak. Kefe nélküli motorral a tekercselési áramokat úgy lehet szabályozni, hogy az áram fokozatosan átmenjen az egyik tekercsről a másikra. Ez csökkenti a nyomaték hullámzását, amely az energia mechanikus pulzálása a rotorra. A nyomaték hullámzása rezgést és mechanikai zajt okoz, különösen alacsony forgórészsebességnél.

költség

mivel a kefe nélküli motorok kifinomultabb elektronikát igényelnek, a kefe nélküli hajtás összköltsége magasabb, mint a kefemotoré. Annak ellenére, hogy a kefe nélküli motor gyártása egyszerűbb, mint a szálcsiszolt motoré, mivel nincs kefe és kommutátor, a szálcsiszolt motor technológiája nagyon érett, és a gyártási költségek alacsonyak. Ez változik, mivel a kefe nélküli motorok egyre népszerűbbek, különösen olyan nagy volumenű alkalmazásokban, mint az autóipari motorok. Emellett az elektronika, mint például a mikrokontrollerek költségei továbbra is csökkennek, vonzóbbá téve a kefe nélküli motorokat.

összefoglaló

a csökkenő költségek és a jobb teljesítmény miatt a kefe nélküli motorok egyre népszerűbbek számos alkalmazásban. De még mindig vannak olyan helyek, ahol a csiszolt motorok értelmesebbek.

sokat lehet tanulni, ha megvizsgáljuk a kefe nélküli motorok alkalmazását az autókban. 2020 – tól a legtöbb motor, amely az autó futásakor működik – például a szivattyúk és a ventilátorok – a szálcsiszolt motorokról a kefe nélküli motorokra váltottak a megnövekedett megbízhatóság érdekében. A motor és az elektronika többletköltsége több, mint az alacsonyabb helyszíni meghibásodások és a csökkent karbantartási igények miatt.

másrészt a ritkán működtetett motorok – például az üléseket és az elektromos ablakokat mozgató motorok – túlnyomórészt kefemotorok maradtak. Az érvelés az, hogy a teljes futási idő az autó élettartama alatt nagyon kicsi, és nagyon valószínűtlen, hogy a motorok meghibásodnak az autó élettartama alatt.

mivel a kefe nélküli motorok és a hozzájuk tartozó elektronika költségei folyamatosan csökkennek, a kefe nélküli motorok olyan alkalmazásokba kerülnek, amelyeket hagyományosan a szálcsiszolt motorok tartanak. Mint egy másik példa az autóiparból, a csúcskategóriás kártyákban az ülésbeállító motorok kefe nélküli motorokat alkalmaznak, mert kevesebb akusztikus zajt generálnak.

kérjen technikai támogatást