Brushed vs. brushless motoren: bediening, constructie en toepassingen

Elektromotoren zijn een groot deel van ons leven geworden. Ze zijn te vinden in allerlei apparaten, van elektrische auto's tot drones, robots en andere elektronische apparaten. In het algemeen is een elektrische motor een apparaat dat elektrische energie omzet in mechanische energie. Ze worden meestal het tegenovergestelde van generatoren genoemd, omdat ze volgens vergelijkbare principes werken en theoretisch kunnen worden omgezet in generatoren. Ze worden voornamelijk gebruikt in situaties waarin rotatiebeweging nodig is en ze vinden toepassingen in apparaten (vibratiemotoren), robots, medische apparatuur, speelgoed en nog veel meer.

Elektromotoren kunnen worden onderverdeeld in twee brede categorieën op basis van het soort stroombron dat ervoor wordt gebruikt: AC-motoren en DC-motoren. Zoals de naam al aangeeft, worden AC-motoren generiek aangedreven met behulp van AC-stroombronnen (eenfasig of driefasig) en worden ze meestal gebruikt in industriële en zware toepassingen waar veel koppel vereist is. Gelijkstroommotoren (waar we ons vandaag op focussen) zijn daarentegen meestal kleiner en worden gebruikt in op batterijen (of aangesloten op gelijkstroombronnen) gebaseerde toepassingen waar aanzienlijk minder werk nodig is in vergelijking met wisselstroommotoren. Ze vinden toepassingen in verschillende apparaten, variërend van alledaagse apparaten zoals een scheerapparaat tot speelgoed voor kinderen, robots en drones.

De vereiste voor DC-motoren verschilt van de ene toepassing tot de andere, aangezien de ene toepassing mogelijk meer koppel en een lagere snelheid vereist, terwijl een andere meer snelheid en een lager koppel vereist, dus worden DC-motoren soms op basis hiervan door verkopers geclassificeerd. Echter, kunnen DC-motoren worden ingedeeld in drie verschillende categorieën of types, waaronder;

1. Geborstelde gelijkstroommotor
2. Borstelloze DC-motoren
3. Servomotoren.

Voor het artikel van vandaag zullen we ons concentreren op de borstelloze en geborstelde gelijkstroommotoren, terwijl we het verschil tussen beide onderzoeken langs de lijnen van het principe van operaties, constructie, toepassingen, voor- en nadelen. Voor het derde type kunt u het gedetailleerde artikel van Servomotor doornemen.

Werkingsprincipe en constructie

De werking van alle motoren is over het algemeen gebaseerd op twee principes : Amperes wet en de wet van Faraday. De eerste wet stelt dat een elektrische geleider die in een magnetisch veld is geplaatst een kracht zal ondervinden als een stroom die door de geleider vloeit een component heeft die loodrecht op dat veld staat. Het tweede principe stelt dat als een geleider door een magnetisch veld wordt bewogen, elke bewegingscomponent loodrecht op dat veld een potentiaalverschil tussen de uiteinden van de geleider zal genereren.

Op basis van deze wetten bestaan ​​elektromotoren uit twee hoofdonderdelen; Een permanente magneet en een stel geleiders gewikkeld tot een spoel. Door elektriciteit op de spoel aan te brengen, wordt deze een magneet en op basis van het feit dat magneten afstoten tegen dezelfde polen en aantrekken tegen andere polen, wordt een roterende beweging bereikt.

Geborstelde gelijkstroommotor

Het is bekend dat de geborstelde gelijkstroommotor een van de vroegste en eenvoudigste motoren is, aangezien deze de hierboven beschreven wetten op de eenvoudigste manier implementeert. Zoals beschreven in de onderstaande afbeelding, bestaat de constructie van een geborstelde gelijkstroommotor uit een vaste stator gemaakt van een permanente magneet en een bewegend anker (rotor) waarop componenten zoals de commutator, borstels en splitring allemaal rond de motor zijn geplaatst schacht.

Wanneer stroom wordt geleverd aan de motor (via de batterij of via een AC naar DC aangesloten bron), stroomt elektriciteit van de bron naar het anker via de borstels die zich meestal aan weerszijden van de motoras bevinden. De borstels (waarvan de aanwezigheid in het ontwerp een belangrijke factor is achter de naam van de motor), brengen elektrische stroom over naar het anker door fysiek contact met de commutator. Zodra het anker (de draadspoel) wordt bekrachtigd, begint het zich als een magneet te gedragen en op dat punt beginnen de polen de polen af ​​te stoten van de permanente magneet die de stator vormt. Terwijl de polen afstoten, begint de motoras waaraan het anker is bevestigd te draaien met een snelheid en koppel die afhangen van de sterkte van het magnetische veld rond het anker.

De sterkte van het magnetische veld is meestal een functie van de spanning die op de borstels wordt aangelegd en de sterkte van de permanente magneet die voor de stator wordt gebruikt.

Borstelloze DC-motoren

Hoewel ze hetzelfde principe van elektromagnetisme gebruiken, zijn borstelloze motoren daarentegen complexer. Ze zijn een direct resultaat van de inspanningen die zijn geleverd om de efficiëntie van geborstelde DC-motoren te verbeteren en kunnen eenvoudig worden omschreven als motoren die het gebruik van borstels voor commutatie niet toepassen. De simplistische aard van die beschrijving geeft echter aanleiding tot vragen over hoe de motor wordt aangedreven en hoe beweging wordt bereikt zonder borstels, die ik zal proberen uit te leggen.

In tegenstelling tot de constructie van de brushed motoren, wordt bij brushless motoren dingen omgedraaid. Het anker dat in het geval van de borstelmotor binnen de stator roteert, is stationair bij borstelloze motoren en de permanente magneet, die bij borstelloze motoren is vastgezet, dient als rotor in een borstelloze motor. Simpel gezegd, de stator voor borstelloze DC-motoren bestaat uit spoelen, terwijl de rotor (waaraan de motoras is bevestigd) bestaat uit een permanente magneet.

Omdat een borstelloze motor het gebruik van borstels elimineert om het anker van stroom te voorzien, wordt het schakelen (commutatie) complexer en wordt elektronisch uitgevoerd met behulp van een extra set elektronische componenten (zoals een versterker die wordt geactiveerd door een commuterende component zoals een optische encoder) om beweging te bereiken. Commutatie-algoritmen voor borstelloze DC-motoren kunnen in tweeën worden verdeeld; Sensorgestuurde en zinloze commutatie.

Bij sensorgebaseerde commutatie worden sensoren (bijv. Hall-sensor) langs de polen van de motor geplaatst om feedback te geven aan het regelcircuit om het te helpen de rotorpositie te schatten. Er zijn drie populaire algoritmen die worden gebruikt voor op sensoren gebaseerde commutatie;

1. Trapeziumvormige commutatie
2. Sinusoïdale commutatie
3. Vector- (of veldgeoriënteerde) besturing.

Elk van deze besturingsalgoritmen heeft zijn voor- en nadelen en de algoritmen kunnen op verschillende manieren worden geïmplementeerd, afhankelijk van de software en het ontwerp van de elektronische hardware, om de nodige wijzigingen aan te brengen.

Bij sensorloze commutatie daarentegen, in plaats van dat sensoren in de motoren worden geplaatst, is het stuurcircuit ontworpen om de achter-EMF te meten om de rotorpositie te schatten.

Dit algoritme presteert redelijk goed en is goedkoper omdat de kosten van de Hall-sensoren worden geëlimineerd, maar de implementatie ervan is veel complexer in vergelijking met de op sensoren gebaseerde algoritmen.

Voor- en nadelen

Bij DC-motoren met borstels staan ​​de borstels constant in contact met de roterende commutator. Dit leidt tot een aanzienlijke hoeveelheid wrijving die op zijn beurt leidt tot verlies van energie aan warmte en geleidelijke slijtage van de borstels. Brushed DC-motoren hebben dus een laag rendement en vereisen periodiek onderhoud. Hierdoor ontstaat veel wrijving en staat wrijving gelijk aan warmte (energieverlies) en slijtage. Borstelloze DC aan de andere kant zijn in wezen wrijvingsloos en hebben dus een zeer hoge efficiëntie, vereisen geen onderhoud en gaan langer mee dan geborstelde DC-motoren.

Echter, geborsteld gelijkstroommotoren erg goedkoop in vergelijking met hun borstelloze tegenhangers vanwege de eenvoudige aard van hun ontwerp. Borstelloze DC-motoren zijn daarentegen vrij duur vanwege hun complexe ontwerp en de extra kosten van de extra elektronische componenten (controllers) die nodig zijn om ze aan te drijven.

Toepassingen

Hoewel borstelloze gelijkstroommotoren tegenwoordig populairder zijn, worden geborstelde gelijkstroommotoren nog steeds gebruikt in dagelijkse huishoudelijke apparaten, kinderspeelgoed en in industriële toepassingen vanwege het gemak waarmee hun snelheid / koppelverhouding kan worden gevarieerd. Vanwege hun lage kosten worden ze gebruikt in toepassingen waarbij het hostapparaat eerder zou kunnen falen dan de motoren.

Borstelloze gelijkstroommotoren hebben daarentegen toepassingen gevonden in allerlei apparaten, van medische apparatuur, robots en drones tot elektrische auto's, elektrisch gereedschap enz. Ze worden hoofdzakelijk gebruikt in toepassingen die een hoog rendement en een lange levensduur vereisen en die de kosten waard zijn.

Factoren waarmee u rekening moet houden bij het kiezen tussen borstelloze en geborstelde gelijkstroommotoren

Naast snelheid, koppel, vermogen en andere basisvereisten voor uw toepassing, zijn hieronder drie factoren waarvan ik denk dat het ook goed kan zijn om te overwegen bij het nemen van een beslissing over het type motor dat voor uw toepassing moet worden ingezet.

1. Inschakelduur / levensduur
2. Efficiëntie
3. Besturing / bediening
4. Kosten

Inschakelduur / levensduur

De levensduur beschrijft hoe lang de motor moet werken voordat hij uitvalt en bij welke inschakelduur. Dit is belangrijk omdat de geborstelde DC-motor, zoals eerder vermeld, onderhevig is aan slijtage door de wrijving tussen de borstels en de commutator. Het is dus belangrijk om ervoor te zorgen dat de toepassing er een is waarin de motor gedurende de hele levensduur functioneel zal zijn, of een toepassing waarin onderhoud aan de motor als normaal en goedkoop wordt beschouwd als er geborstelde gelijkstroommotoren worden gebruikt. Een goed voorbeeld hiervan is bij kinderspeelgoed, waar het speelgoed meestal wordt weggegooid of beschadigd voordat de motor verslijt. In toepassingen met een lange levensduur en waarbij onderhoud aan de motor geen haalbare optie is, zijn borstelloze gelijkstroommotoren meestal de verstandige optie.

Efficiëntie

Over het algemeen hebben borstelloze gelijkstroommotoren een hoger algemeen rendement in vergelijking met geborstelde gelijkstroommotoren, maar er zijn gevallen geweest van ijzerloze geborstelde kernmotoren met superieure efficiëntie in vergelijking met gelijkwaardige borstelloze motoren. Het is echter belangrijk om de algehele vereiste efficiëntie te evalueren en deze te vergelijken met die van elke motor voordat u een beslissing neemt. In de meeste gevallen waar efficiëntie de doorslaggevende factor is, winnen borstelloze DC-motoren meestal.

Besturing / bediening

Dit is meestal een van de grootste tegenslagen als het gaat om het gebruik van borstelloze DC-motoren. De aanvullende vereisten, zoals controllers enz., Maken de aansturing complexer in vergelijking met die van geborstelde gelijkstroommotoren, die net zo triviaal zouden kunnen zijn als het aansluiten van een batterij op de aansluitingen. U moet ervoor zorgen dat de hoeveelheid complexiteit die het gebruik van een borstelloze gelijkstroommotor voor het project met zich meebrengt, gerechtvaardigd is en dat de ondersteunende elektronica zoals de controllers direct beschikbaar is. Ongeacht de eenvoud van DC-motoren met borstels, zijn ze soms niet geschikt voor toepassingen met hoge precisie. Hoewel de Brushed DC-motor gemakkelijk kan worden aangesloten op de controller zoals Arduino, is het veel complex om een ​​BLDC met Arduino Uno te verbinden, maar de ESC (Electronic Speed ​​Controller) maakt het eenvoudiger om een ​​BLDC te koppelen aan een microcontroller.

Kosten

De complexiteit van het ontwerp van borstelloze gelijkstroommotoren maakt ze erg duur in vergelijking met geborstelde gelijkstroommotoren. Zorg ervoor dat de extra kosten binnen de betaalbare limieten van het project vallen voordat u voor borstelloze DC-motoren gaat. Houd ook rekening met de kosten van de andere accessoires die nodig zijn voor het gebruik van BLDC's voordat u een beslissing neemt.