Børsteløse motorer er en række forskellige elektriske motorer, der i modsætning til konventionelle børste- eller kulmotorer, fjernelse af trækul i børsteløse motorer øger effektiviteten og levetiden af disse motorer sammenlignet med konventionelle kulmotorer.
På grund af de mange fordele ved børsteløse motorer, bruger vores mange værktøjer børsteløse motorer til at ledsage dig med deres unikke kraft i enhver situation. Længere levetid, lav vægt og mindre støjproduktion er blandt de funktioner, der adskiller disse motorer fra kulfyrede motorer.
Motorer er Power Delivery Machines
Når ingeniører står over for udfordringen med at designe elektrisk udstyr til at udføre mekaniske opgaver, tænker de måske på, hvordan elektriske signaler bliver omdannet til energi. Så aktuatorer og motorer er blandt de enheder, der konverterer elektriske signaler til bevægelse. Motorer udveksler elektrisk energi til mekanisk energi.
Den enkleste type motor er den børstede DC-motor. I denne type motor føres elektrisk strøm gennem spoler, der er anbragt inden for et fast magnetfelt. Strømmen genererer magnetiske felter i spolerne; dette får spolesamlingen til at rotere, da hver spole skubbes væk fra den samme pol og trækkes mod den ulige pol i det faste felt. For at opretholde rotation er det nødvendigt konstant at vende strømmen - så spolens polaritet konstant vil vende, hvilket får spolerne til at fortsætte med at "jage" de modsat faste poler. Strøm til spolerne leveres gennem faste ledende børster, der kommer i kontakt med en roterende kommutator; det er rotationen af kommutatoren, der forårsager vendingen af strømmen gennem spolerne. Kommutatoren og børsterne er nøglekomponenterne, der adskiller den børstede DC-motor fra andre motortyper. Figur 1 illustrerer det generelle princip for den børstede motor.
Figur 1: Betjening af den børstede jævnstrømsmotor.
Faste børster leverer elektrisk energi til den roterende kommutator. Når kommutatoren roterer, vender den konstant strømmens retning ind i spolerne, og vender spolens polariteter, så spolerne opretholder rotation til højre. Kommutatoren roterer, fordi den er fastgjort til rotoren, hvorpå spolerne er monteret.
Motorer er forskellige afhængigt af deres effekttype (AC eller DC) og deres metode til at generere rotation (Figur 2). Nedenfor ser vi kort på funktionerne og anvendelserne af hver type.
Forskellige typer motorer
Børstede jævnstrømsmotorer, med enkelt design og nem styring, bruges i vid udstrækning til at åbne og lukke diskbakker. I biler bruges de ofte til at trække ind, udskyde og placere elektrisk drevne sideruder. De lave omkostninger ved disse motorer gør dem velegnede til mange anvendelser. En ulempe er imidlertid, at børster og kommutatorer har en tendens til at slides relativt hurtigt som følge af deres fortsatte kontakt, hvilket kræver hyppig udskiftning og periodisk vedligeholdelse.
En stepmotor drives af impulser; den roterer gennem en bestemt vinkel (trin) med hver puls. Fordi rotationen er præcist styret af antallet af modtagede impulser, er disse motorer meget brugt til at implementere positionsjusteringer. De bruges f.eks. ofte til at styre papirfremføringen i faxmaskiner og printere - da disse enheder fremfører papir i faste trin, som nemt kan korreleres med pulstal. Pause kan også nemt styres, da motorrotationen stopper øjeblikkeligt, når pulssignalet afbrydes.
Med synkronmotorer er rotationen synkron med frekvensen af forsyningsstrømmen. Disse motorer bruges ofte til at drive de roterende bakker i mikrobølgeovne; reduktionsgear i motorenheden kan bruges til at opnå de passende rotationshastigheder til at opvarme mad. Også med induktionsmotorer varierer rotationshastigheden med frekvensen; men bevægelsen er ikke synkron. Tidligere blev disse motorer ofte brugt i elektriske ventilatorer og vaskemaskiner.
Der er forskellige typer motorer i almindelig brug. I denne session ser vi på fordelene og anvendelserne ved børsteløse jævnstrømsmotorer.
Hvorfor drejer BLDC-motorer?
Som navnet antyder, bruger børsteløse DC-motorer ikke børster. Med børstede motorer leverer børsterne strøm gennem kommutatoren ind i spolerne på rotoren. Så hvordan sender en børsteløs motor strøm til rotorspolerne? Det gør det ikke - fordi spolerne ikke er placeret på rotoren. I stedet er rotoren en permanent magnet; spolerne roterer ikke, men sidder i stedet fast på statoren. Fordi spolerne ikke bevæger sig, er der ikke behov for børster og en kommutator. (Se figur 3.)
Med den børstede motor opnås rotation ved at styre de magnetiske felter, der genereres af spolerne på rotoren, mens det magnetiske felt, der genereres af de stationære magneter, forbliver fast. For at ændre omdrejningshastigheden ændrer du spændingen for spolerne. Med en BLDC-motor er det permanentmagneten, der roterer; rotation opnås ved at ændre retningen af de magnetiske felter, der genereres af de omgivende stationære spoler. For at styre rotationen justerer du størrelsen og retningen af strømmen i disse spoler.
Da rotoren er en permanent magnet, behøver den ingen strøm, hvilket eliminerer behovet for børster og kommutator. Strøm til de faste spoler styres udefra.
Fordele ved BLDC-motorer
En BLDC-motor med tre spoler på statoren vil have seks elektriske ledninger (to til hver spole), der strækker sig fra disse spoler. I de fleste implementeringer vil tre af disse ledninger være forbundet internt, hvor de tre resterende ledninger strækker sig fra motorhuset (i modsætning til de to ledninger, der strækker sig fra den børstede motor beskrevet tidligere). Ledningsføring i BLDC-motorhuset er mere kompliceret end blot at forbinde strømcellens positive og negative terminaler; vi vil se nærmere på, hvordan disse motorer fungerer i den anden session af denne serie. Nedenfor afslutter vi med at se på fordelene ved by BLDC motorer.
En stor fordel er effektiviteten, da disse motorer kan styre kontinuerligt ved maksimal rotationskraft (drejningsmoment). Børstede motorer opnår derimod maksimalt drejningsmoment kun på bestemte punkter i rotationen. For at en børstet motor skal levere det samme drejningsmoment som en børsteløs model, skal den bruge større magneter. Dette er grunden til, at selv små BLDC-motorer kan levere betydelig effekt.
Den anden store fordel - relateret til den første - er kontrollerbarhed. BLDC-motorer kan styres ved hjælp af feedback-mekanismer til at levere præcist det ønskede drejningsmoment og omdrejningshastighed. Præcisionsstyring reducerer til gengæld energiforbruget og varmeudviklingen, og - i tilfælde hvor motorer er batteridrevne - forlænger batteriets levetid.
BLDC-motorer tilbyder også høj holdbarhed og lav elektrisk støjgenerering, takket være manglen på børster. Med børstede motorer slides børsterne og kommutatoren som følge af konstant bevægelig kontakt og producerer også gnister, hvor der er kontakt. Især elektrisk støj er resultatet af de stærke gnister, der har tendens til at opstå i de områder, hvor børsterne passerer over hullerne i kommutatoren. Derfor anses BLDC-motorer ofte for at foretrække i applikationer, hvor det er vigtigt at undgå elektrisk støj.
Ideelle applikationer til BLDC-motorer
Vi har set, at BLDC-motorer tilbyder høj effektivitet og kontrollerbarhed, og at de har en lang levetid. Så hvad er de gode til? På grund af deres effektivitet og levetid er de meget brugt i enheder, der kører kontinuerligt. De har længe været brugt i vaskemaskiner, klimaanlæg og anden forbrugerelektronik; og på det seneste dukker de op i fans, hvor deres høje effektivitet har bidraget til en betydelig reduktion af strømforbruget.
De bliver også brugt til at køre vakuummaskiner. I et tilfælde resulterede en ændring i kontrolprogrammet i et stort spring i rotationshastigheden - et eksempel på den superlative kontrollerbarhed, som disse motorer tilbyder.
BLDC-motorer bliver også brugt til at spinde harddiske, hvor deres holdbarhed holder drevene i drift pålideligt på lang sigt, mens deres strømeffektivitet bidrager til energireduktion i et område, hvor dette bliver stadig vigtigere.
Mod bredere brug i fremtiden
Vi kan forvente at se BLDC-motorer bruges i en bredere vifte af applikationer i fremtiden. For eksempel vil de formentlig blive meget brugt til at drive servicerobotter – små robotter, der leverer tjenester inden for andre områder end fremstilling. Man kunne tro, at stepmotorer ville være mere velegnede i denne type applikationer, hvor impulser kunne bruges til præcist at styre positionering. Men BLDC-motorer er bedre egnede til at styre kraften. Og med en stepmotor vil det kræve en relativt stor og kontinuerlig strøm at holde positionen af en struktur såsom en robotarm. Med en BLDC-motor er alt, hvad der kræves, en strøm, der er proportional med den eksterne kraft - hvilket giver mulighed for mere strømeffektiv kontrol. BLDC-motorer kan også erstatte simple børstede jævnstrømsmotorer i golfvogne og mobilitetsvogne. Ud over deres bedre effektivitet kan BLDC-motorer også levere mere præcis styring - hvilket igen kan forlænge batteriets levetid yderligere.
BLDC-motorer er også ideelle til droner. Deres evne til at levere præcisionsstyring gør dem særligt velegnede til multirotor-droner, hvor dronens holdning styres ved præcis styring af rotationshastigheden på hver rotor.
I denne session har vi set, hvordan BLDC-motorer tilbyder fremragende effektivitet, kontrollerbarhed og lang levetid. Men omhyggelig og ordentlig kontrol er afgørende for at udnytte disse motorers potentiale fuldt ud. I vores næste session vil vi se på, hvordan disse motorer fungerer.
Indlægstid: 21. august 2023