Els motors sense escombretes són una varietat de motors elèctrics que, a diferència dels motors de raspall o carbó convencionals, L'eliminació de carbó vegetal en els motors sense escombretes augmenta l'eficiència i la longevitat d'aquests motors en comparació amb els motors de carbó convencionals.
A causa dels nombrosos avantatges dels motors sense escombretes, les nostres nombroses eines utilitzen motors sense escombretes per acompanyar-vos amb la seva potència única en qualsevol situació. Una vida útil més llarga, un pes lleuger i una producció menor de soroll es troben entre les característiques que distingeixen aquests motors dels motors de carbó.
Els motors són màquines de subministrament d'energia
Quan els enginyers s'enfronten al repte de dissenyar equips elèctrics per realitzar tasques mecàniques, podrien pensar en com es converteixen els senyals elèctrics en energia. Així, els actuadors i els motors es troben entre els dispositius que converteixen els senyals elèctrics en moviment. Els motors intercanvien energia elèctrica en energia mecànica.
El tipus de motor més senzill és el motor DC raspallat. En aquest tipus de motor, el corrent elèctric es fa passar per bobines que es disposen dins d'un camp magnètic fix. El corrent genera camps magnètics a les bobines; això fa que el conjunt de la bobina giri, ja que cada bobina s'allunya del pal semblant i s'estira cap al pol diferent del camp fix. Per mantenir la rotació, cal invertir contínuament el corrent, de manera que les polaritats de la bobina s'invertiran contínuament, fent que les bobines continuïn "perseguint" els pols fixos a diferència. L'alimentació de les bobines es subministra a través de raspalls conductors fixos que entren en contacte amb un commutador giratori; és la rotació del commutador el que provoca la inversió del corrent a través de les bobines. El commutador i les escombretes són els components clau que distingeixen el motor DC raspallat d'altres tipus de motor. La figura 1 il·lustra el principi general del motor raspallat.
Figura 1: Funcionament del motor de corrent continu escombrat.
Les escombretes fixes proporcionen energia elèctrica al commutador giratori. A mesura que el commutador gira, gira contínuament la direcció del corrent cap a les bobines, invertint les polaritats de la bobina perquè les bobines mantinguin la rotació cap a la dreta. El commutador gira perquè està connectat al rotor on es munten les bobines.
Els motors es diferencien segons el seu tipus de potència (AC o DC) i el seu mètode per generar la rotació (Figura 2). A continuació, veurem breument les característiques i els usos de cada tipus.
Diferents tipus de motors
Els motors DC raspallats, amb un disseny senzill i un control fàcil, s'utilitzen àmpliament per obrir i tancar les safates de disc. Als cotxes, sovint s'utilitzen per retreure, estendre i col·locar les finestres laterals amb motor elèctric. El baix cost d'aquests motors els fa aptes per a molts usos. Un inconvenient, però, és que els raspalls i els commutadors tendeixen a desgastar-se amb relativa rapidesa com a resultat del seu contacte continuat, requerint una substitució freqüent i un manteniment periòdic.
Un motor pas a pas és accionat per polsos; gira per un angle específic (pas) amb cada pols. Com que la rotació està controlada amb precisió pel nombre de polsos rebuts, aquests motors s'utilitzen àmpliament per implementar ajustos de posició. Sovint s'utilitzen, per exemple, per controlar l'alimentació de paper en màquines de fax i impressores, ja que aquests dispositius alimenten paper en passos fixos, que es relacionen fàcilment amb el recompte de polsos. La pausa també es pot controlar fàcilment, ja que la rotació del motor s'atura a l'instant quan s'interromp el senyal de pols.
Amb motors síncrons, la rotació és sincrònica amb la freqüència del corrent d'alimentació. Aquests motors s'utilitzen sovint per accionar les safates giratòries dels forns de microones; Els engranatges reductors de la unitat del motor es poden utilitzar per obtenir les velocitats de rotació adequades per escalfar els aliments. Amb els motors d'inducció, també, la velocitat de rotació varia amb la freqüència; però el moviment no és sincrònic. En el passat, aquests motors s'utilitzaven sovint en ventiladors elèctrics i rentadores.
Hi ha diversos tipus de motor d'ús comú. En aquesta sessió, analitzem els avantatges i aplicacions dels motors de corrent continu sense escombretes.
Per què giren els motors BLDC?
Com el seu nom indica, els motors de corrent continu sense escombretes no utilitzen raspalls. Amb motors raspallats, els raspalls entren corrent a través del commutador a les bobines del rotor. Llavors, com passa el corrent un motor sense escombretes a les bobines del rotor? No, perquè les bobines no es troben al rotor. En canvi, el rotor és un imant permanent; les bobines no giren, sinó que es fixen al seu lloc a l'estator. Com que les bobines no es mouen, no calen raspalls i un commutador. (Vegeu la figura 3.)
Amb el motor raspallat, la rotació s'aconsegueix controlant els camps magnètics generats per les bobines del rotor, mentre que el camp magnètic generat pels imants estacionaris es manté fix. Per canviar la velocitat de rotació, canvieu la tensió de les bobines. Amb un motor BLDC, és l'imant permanent que gira; la rotació s'aconsegueix canviant la direcció dels camps magnètics generats per les bobines estacionàries circumdants. Per controlar la rotació, ajusteu la magnitud i la direcció del corrent en aquestes bobines.
Com que el rotor és un imant permanent, no necessita corrent, eliminant la necessitat de raspalls i commutador. El corrent a les bobines fixes es controla des de l'exterior.
Avantatges dels motors BLDC
Un motor BLDC amb tres bobines a l'estator tindrà sis cables elèctrics (dos a cada bobina) que s'estenen des d'aquestes bobines. En la majoria de les implementacions, tres d'aquests cables es connectaran internament, i els tres cables restants s'estenen des del cos del motor (en contrast amb els dos cables que s'estenen des del motor raspallat descrit anteriorment). El cablejat a la caixa del motor BLDC és més complicat que simplement connectar els terminals positius i negatius de la cèl·lula d'alimentació; veurem més de prop com funcionen aquests motors a la segona sessió d'aquesta sèrie. A continuació, concloem analitzant els avantatges dels motors BLDC.
Un gran avantatge és l'eficiència, ja que aquests motors poden controlar contínuament a la màxima força de rotació (parell). Els motors raspallats, en canvi, aconsegueixen el parell màxim només en determinats punts de la rotació. Perquè un motor raspallat ofereixi el mateix parell que un model sense escombretes, hauria d'utilitzar imants més grans. És per això que fins i tot els petits motors BLDC poden oferir una potència considerable.
El segon gran avantatge, relacionat amb el primer, és la controlabilitat. Els motors BLDC es poden controlar, mitjançant mecanismes de retroalimentació, per oferir amb precisió el parell i la velocitat de rotació desitjats. El control de precisió al seu torn redueix el consum d'energia i la generació de calor i, en els casos en què els motors funcionen amb bateria, allarga la vida útil de la bateria.
Els motors BLDC també ofereixen una gran durabilitat i una baixa generació de soroll elèctric, gràcies a la manca de raspalls. Amb els motors raspallats, les escombretes i el commutador es desgasten com a resultat del contacte en moviment continu i també produeixen espurnes on es produeix el contacte. El soroll elèctric, en particular, és el resultat de les fortes espurnes que solen produir-se a les zones on les escombretes passen per sobre dels buits del commutador. És per això que els motors BLDC sovint es consideren preferibles en aplicacions on és important evitar el soroll elèctric.
Aplicacions ideals per a motors BLDC
Hem vist que els motors BLDC ofereixen una alta eficiència i controlabilitat, i que tenen una llarga vida útil. Llavors, per a què serveixen? A causa de la seva eficiència i longevitat, s'utilitzen àmpliament en dispositius que funcionen contínuament. Fa temps que s'utilitzen en rentadores, aparells d'aire condicionat i altres productes electrònics de consum; i més recentment, estan apareixent en ventiladors, on la seva alta eficiència ha contribuït a una reducció important del consum d'energia.
També s'utilitzen per conduir màquines de buit. En un cas, un canvi en el programa de control va donar lloc a un gran salt en la velocitat de rotació, un exemple de la controlabilitat superlativa que ofereixen aquests motors.
Els motors BLDC també s'utilitzen per girar les unitats de disc dur, on la seva durabilitat fa que les unitats funcionin de manera fiable a llarg termini, mentre que la seva eficiència energètica contribueix a la reducció d'energia en una àrea on això és cada cop més important.
Cap a un ús més ampli en el futur
Podem esperar veure els motors BLDC utilitzats en una gamma més àmplia d'aplicacions en el futur. Per exemple, probablement s'utilitzaran àmpliament per conduir robots de servei, petits robots que ofereixen serveis en camps diferents de la fabricació. Es podria pensar que els motors pas a pas serien més adequats en aquest tipus d'aplicacions, on es podrien utilitzar polsos per controlar el posicionament amb precisió. Però els motors BLDC són més adequats per controlar la força. I amb un motor pas a pas, mantenir la posició d'una estructura com un braç de robot requeriria un corrent relativament gran i continu. Amb un motor BLDC, tot el que es necessitaria és un corrent proporcional a la força externa, permetent un control més eficient de l'energia. Els motors BLDC també poden substituir els motors de corrent continu raspallats simples en carros de golf i carros de mobilitat. A més de la seva millor eficiència, els motors BLDC també poden oferir un control més precís, que al seu torn pot allargar encara més la durada de la bateria.
Els motors BLDC també són ideals per a drons. La seva capacitat per oferir un control de precisió els fa especialment adequats per a drons multirotor, on l'actitud del dron es controla controlant amb precisió la velocitat de rotació de cada rotor.
En aquesta sessió, hem vist com els motors BLDC ofereixen una excel·lent eficiència, controlabilitat i longevitat. Però un control acurat i adequat és essencial per aprofitar al màxim el potencial d'aquests motors. A la nostra propera sessió, veurem com funcionen aquests motors.
Hora de publicació: 21-agost-2023