Bezuhlíkový jednosmerný motor, kartáčovaný jednosmerný motor: ako si vybrať?

Bezuhlíkový jednosmerný motor, kartáčovaný jednosmerný motor: ako si vybrať?

(Článok pochádza z: https://www.monolithicpower.cn/cn/learning/resources/brushless-vs-brushed-dc-motors)

Mnoho aplikácií na riadenie pohybu používa jednosmerné motory s permanentným magnetom. Pretože riadiaci systém jednosmerného motora je jednoduchšie implementovať ako riadiaci systém striedavého motora. Preto sa jednosmerné motory zvyčajne používajú, keď je potrebné ovládať rýchlosť, krútiaci moment alebo polohu. Existujú dva bežné typy jednosmerných motorov: kefové motory a bezkomutátorové motory (alebo BLDC motory). Ako už názov napovedá, kartáčovaný jednosmerný motor má kefu, vďaka ktorej môže motor obrátiť a otáčať; Bezkomutátorový motor nahrádza mechanickú reverznú funkciu elektronickým ovládaním. V mnohých aplikáciách je možné použiť brúsené jednosmerné motory aj bezkartáčové jednosmerné motory. Oba typy motorov sú založené na rovnakej cievke a princípe priťahovania a odpudzovania permanentných magnetov, oba majú svoje výhody a nevýhody a možno ich vybrať podľa potrieb aplikácie.

Kartáčovaný jednosmerný motor (zdroj obrázka: maxon Group)

Jednosmerné motory využívajú cievky na vytváranie magnetických polí. V brúsenom motore sa cievky môžu voľne otáčať a poháňať hriadeľ a nazývajú sa "rotory". Väčšinou sú cievky navinuté okolo železného jadra a samozrejmosťou sú „bezjadrové“ kefové motory, ktorých vinutia sú samonosné. Pevná časť motora sa nazýva "stator". Permanentné magnety používané na zabezpečenie pevného magnetického poľa sú zvyčajne umiestnené na vnútornom povrchu statora a na vonkajšej strane rotora. Aby sa vytvoril krútiaci moment, ktorý otáča rotor, magnetické pole rotora sa musí neustále otáčať tak, aby jeho magnetické pole priťahovalo a odpudzovalo pevné magnetické pole statora. Na otáčanie magnetického poľa sa zvyčajne používa posuvný elektronický spínač. Spínač sa skladá z komutátora, zvyčajne črepového kontaktu namontovaného na rotore, a pevnej kefy, ktorá je namontovaná na statore.

Keď sa rotor otáča, komutátor neustále zapína a vypína rôzne vinutia rotora, čo spôsobuje, že cievka rotora je neustále priťahovaná a odpudzovaná pevným magnetom statora, čím sa rotor otáča. Medzi kefou a komutátorom brúseného motora dochádza k mechanickému treniu a keďže ide o elektrický kontakt, väčšinou sa nedá namazať. Preto kefa a komutátor majú mechanické opotrebovanie počas celého životného cyklu motora a nakoniec spôsobia, že motor nebude fungovať. Mnohé brúsené motory (najmä veľké brúsené motory) však majú vymeniteľné kefky, ktoré sú zvyčajne vyrobené z uhlíka a dokážu si po opotrebovaní udržať dobrý kontakt a tieto motory vyžadujú pravidelnú údržbu. Ale aj s vymeniteľnou kefou sa komutátor časom opotrebuje natoľko, že bude treba vymeniť motor. Na pohon kartáčovaného motora sa na oba konce kefy privádza jednosmerné napätie, ktoré spôsobuje, že prúd preteká vinutím rotora a otáča motor. Ak sa kartáčovaný motor v aplikácii musí otáčať iba jedným smerom a nie je potrebné riadiť rýchlosť alebo krútiaci moment, nie je potrebné poháňať elektroniku vôbec. V takýchto aplikáciách je možné motor spustiť alebo zastaviť jednoduchým zapnutím a vypnutím jednosmerného napätia. To je bežné v lacných aplikáciách, ako sú elektrické hračky. Ak je potrebná spätná rotácia, možno ju dosiahnuť bipolárnym spínačom. Ak je potrebné ovládať rýchlosť, krútiaci moment a smer, použije sa „H-mostík“ pozostávajúci z elektronických spínačov (tranzistorov, IGBT alebo MOSFET), aby sa motor otáčal v oboch smeroch. Napätie aplikované na motor môže mať akúkoľvek polaritu, čo spôsobí, že sa motor otáča rôznymi smermi. Rýchlosť alebo krútiaci moment motora je možné regulovať moduláciou šírky impulzu spínača.

Bezkefkový jednosmerný motor

Bezkartáčový jednosmerný motor má rovnaký princíp magnetickej príťažlivosti a odpudzovania ako kartáčovaný motor, ale štruktúra je mierne odlišná. Na rozdiel od mechanických komutátorov a kief kartáčovaných motorov, bezkomutátorové motory používajú elektronické komutátory na otáčanie magnetického poľa statora, čo vyžaduje použitie aktívnej riadiacej elektroniky. V bezkomutátorových motoroch sú permanentné magnety pripevnené k rotoru a vinutia sú pripevnené k statoru. Rotor môže byť umiestnený na vnútornej strane (ako je znázornené na obrázku vyššie) alebo na vonkajšej strane vinutia (niekedy nazývaný motor „out-rotating“). Počet vinutí použitých v bezkomutátorovom motore sa nazýva číslo fázy a môže mať rôzne čísla fáz, ale najbežnejší je trojfázový bezkomutátorový motor. Okrem toho malé chladiace ventilátory atď. môžu mať iba jednu alebo dve fázy. Tri vinutia bezkomutátorového motora sú zvyčajne spojené spôsobom "hviezda" alebo "trojuholník". Bez ohľadu na pripojenie sú k motoru pripojené tri vodiče a technológia pohonu a priebeh vlny sú rovnaké.

Trojfázové motory môžu byť konštruované s rôznymi magnetickými konfiguráciami, nazývanými magnetické póly. Najjednoduchší trojfázový motor má dva magnetické póly: rotor má len jeden pár magnetických pólov, jeden N pól a jeden S pól. Samozrejme môže byť aj viac magnetických pólov, čo si vyžaduje konfiguráciu viacerých magnetických častí v rotore a pridanie ďalších vinutí v statore. Čím viac magnetických pólov, tým vyšší výkon, ale menej pólov môže dosiahnuť vyššiu rýchlosť.

Na pohon trojfázového bezkomutátorového motora musí každá fáza trojfázového vinutia bežať pri vysokom alebo nízkom potenciáli podľa stavu polohy rotora. Na tento účel sa na dosiahnutie pohonu zvyčajne používajú tri "polomostové" obvody pohonu, z ktorých každý je zložený z dvoch spínačov. V závislosti od požadovaného napätia a prúdu môže byť spínač bipolárny tranzistor, IGBT alebo MOSFET.

Existuje mnoho technológií pohonu, ktoré možno použiť pre trojfázové bezkomutátorové motory, z ktorých najjednoduchšia sa nazýva lichobežníkový pohon, štvorcový pohon alebo 120 stupňové komutačné riadenie. Lichobežníková komutácia je trochu podobná metóde komutácie používanej v jednosmerných kefových motoroch: v každom danom čase je jedna z troch fáz pripojená, jedna je odpojená a druhá je pripojená k napájaciemu napätiu. Ak potrebujete regulovať rýchlosť alebo krútiaci moment, môžete modulovať fázu pripojenia na napájacie napätie. Pretože sa v každom komutačnom bode náhle prepínajú fázy a rotácia rotora je konštantná, krútiaci moment spôsobí určité zmeny s rotáciou motora, čo sa nazýva kolísanie krútiaceho momentu. Na zlepšenie výkonu možno použiť aj iné komutačné metódy. Metódy ako sínusová alebo 180-stupňová komutácia môžu vždy poháňať prúd vo všetkých troch fázach motora. Regulátor riadi pohon tak, aby každá fáza trojfázového bezkomutátorového motora generovala sínusový prúd a fázový posun medzi každou fázou bol 120 stupňov. Táto technológia pohonu minimalizuje kolísanie krútiaceho momentu, ako aj hluk a vibrácie a bežne sa používa vo vysokovýkonných alebo vysoko účinných pohonoch. Na správne otáčanie magnetického poľa potrebuje riadiaca elektronika poznať fyzickú polohu magnetov na rotore vzhľadom na stator. Typicky sa tieto informácie o polohe získavajú Hallovým snímačom namontovaným na statore. Keď sa magnetický rotor otáča, Hallov senzor zachytáva magnetické pole rotora. Elektronika pohonu používa tieto informácie na tok prúdu cez vinutia statora, aby sa rotor otáčal.

S tromi Hallovými snímačmi je možné dosiahnuť lichobežníkovú komutáciu pomocou jednoduchej kombinatorickej logiky bez zložitej riadiacej elektroniky. Iné spôsoby komutácie, ako napríklad sínusová komutácia, vyžadujú zložitejšiu riadiacu elektroniku a často vyžadujú mikrokontroléry. Okrem použitia Hallových snímačov na poskytovanie spätnej väzby polohy existuje mnoho spôsobov, ako určiť polohu rotora bez snímačov. Najjednoduchšou metódou je monitorovanie zadnej elektromotorickej sily v nepoháňanej fáze, aby sa snímalo magnetické pole vzhľadom na stator. Existuje aj zložitejší riadiaci algoritmus nazývaný field Oriented Control (FOC), ktorý vypočítava polohu na základe prúdu rotora a ďalších parametrov. FOC zvyčajne vyžaduje výkonný procesor na rýchle vykonanie mnohých výpočtov, takže táto metóda je podstatne drahšia ako jednoduchá metóda rebríkového riadenia.

Výhody a nevýhody kartáčovaných a bezkomutátorových motorov Nasledujúca tabuľka sumarizuje hlavné výhody a nevýhody oboch typov motorov. V závislosti od požiadaviek aplikácie možno uprednostníte bezkomutátorový motor.

Životnosť
Ako už bolo spomenuté, jednou z nevýhod brúsených motorov je mechanické opotrebovanie kief a komutátorov. V mnohých plánoch údržby motora sa vyžaduje pravidelná výmena uhlíkových kefiek, najmä spotrebného materiálu. Mäkká meď komutátora sa tiež pomaly opotrebuje kefou a nakoniec spôsobí, že motor nebude fungovať. Bezuhlíkové motory nemajú žiadne pohyblivé kontakty, takže nedochádza k takémuto opotrebovaniu.
Rýchlosť a zrýchlenie
Rýchlosť kefovaného motora je obmedzená kvalitou kefy, komutátora a rotora. Pri veľmi vysokých rýchlostiach sa kontakt medzi kefou a komutátorom stane nestabilným a oblúk kefy sa zvýši. Väčšina kefových motorov tiež používa vrstvené železné jadro v rotore, čo im dáva veľký moment zotrvačnosti a tiež obmedzuje rýchlosť zrýchlenia a spomalenia motora. Použitie vysokovýkonných magnetov zo vzácnych zemín v rotore môže minimalizovať moment zotrvačnosti. To samozrejme zvyšuje náklady.
Elektrický hluk
Kefa a komutátor tvoria elektrický spínač. Keď sa motor otáča, spínač sa otvára alebo zatvára a cez vinutie rotora induktora preteká veľké množstvo prúdu a vytvára oblúk na kontakte. Tieto oblúky generujú veľa elektrického šumu, ktorý možno pripojiť k citlivým obvodom. Pridaním kondenzátora alebo RC vyrovnávacej pamäte ku kefke je možné do určitej miery zmierniť oblúk, ale okamžité spínanie komutátora bude stále produkovať určitý elektrický šum.
Akustický hluk
Kartáčované motory sú "natvrdo spínané", to znamená, že prúd sa náhle presúva z jedného vinutia do druhého. Keď sa vinutie zapína a vypína, generovaný krútiaci moment sa mení s otáčaním rotora, čo má za následok kolísanie krútiaceho momentu. Bezkomutátorové motory dokážu riadiť postupný prechod prúdu vinutia z jedného vinutia do druhého, čo znižuje kolísanie krútiaceho momentu. Kolísanie krútiaceho momentu sú mechanické pulzácie energie na rotore, ktoré môžu spôsobiť vibrácie a mechanický hluk, najmä pri nízkych otáčkach rotora.

náklady
Technológia kefového motora je veľmi vyspelá, výrobné náklady sú tiež veľmi nízke. Bezuhlíkové motory vyžadujú zložitejšie elektronické vybavenie, takže celkové náklady sú vyššie ako kefové motory; Ale pretože neexistujú žiadne kefy a komutátory, výroba je jednoduchšia ako brúsený motor. Bezuhlíkové motory sú čoraz populárnejšie, najmä vo veľkoobjemových aplikáciách, ako sú automobilové motory. Okrem toho pokračujúci pokles nákladov na elektronické zariadenia (ako sú mikrokontroléry) tiež robí bezkomutátorové motory atraktívnejšími. Zhrnutie Bezuhlíkové motory sa stávajú čoraz obľúbenejšími vďaka klesajúcim nákladom a lepšiemu výkonu. Ale pre niektoré aplikácie sú motory kief stále tou najlepšou voľbou. Z aplikácie bezkomutátorových motorov v automobiloch môžeme vedieť, že od roku 2020 bola väčšina motorov (ako sú čerpadlá a ventilátory), ktoré bežia počas jazdy auta, prevedená z bezkomutátorových motorov na bezkomutátorové motory, aby sa zlepšila ich spoľahlivosť. Znížená poruchovosť na mieste a znížené nároky na údržbu plne kompenzujú zvýšené náklady na bezkomutátorové motory a ich hnacie zariadenia. Na druhej strane, tie motory, ktoré nie sú často ovládané (ako sú motory na posúvanie elektricky ovládaných sedadiel a elektrické okná), sú stále hlavne kefové motory. Pretože celkový prevádzkový čas týchto motorov je počas celého životného cyklu automobilu veľmi krátky, porucha je nepravdepodobná. Keďže náklady na bezkomutátorové motory a ich pridruženú elektroniku neustále klesajú, bezkomutátorové motory postupne prenikajú do aplikácií, ktorým dominujú tradičné bezkomutátorové motory. Ďalším príkladom v automobilovom priemysle je, že motory na nastavenie sedadla v modeloch vyššej kategórie boli nahradené bezkomutátorovými motormi, pretože produkujú menej hluku.