Harjadeta mootorid on mitmesugused elektrimootorid, mis erinevalt tavapärastest harja- või söemootoritest suurendab söe eemaldamine harjadeta mootorites nende mootorite efektiivsust ja pikaealisust võrreldes tavaliste söemootoritega.
Tänu harjadeta mootorite arvukatele eelistele kasutavad meie paljud tööriistad harjadeta mootoreid, et saada teid oma ainulaadse võimsusega igas olukorras. Pikem eluiga, kerge kaal ja väiksem müratase on üks omadusi, mis eristavad neid mootoreid söeküttel töötavatest mootoritest.
Mootorid on jõuülekandemasinad
Kui insenerid seisavad silmitsi väljakutsega kavandada elektriseadmeid mehaaniliste ülesannete täitmiseks, võivad nad mõelda, kuidas elektrisignaale energiaks muundatakse. Seega kuuluvad ajamid ja mootorid nende seadmete hulka, mis muudavad elektrisignaalid liikumiseks. Mootorid vahetavad elektrienergiat mehaaniliseks energiaks.
Lihtsaim mootoritüüp on harjatud alalisvoolumootor. Seda tüüpi mootorites juhitakse elektrivool läbi mähiste, mis on paigutatud fikseeritud magnetvälja sisse. Vool tekitab mähistes magnetvälju; see põhjustab poolisõlme pöörlemise, kuna iga mähis lükatakse sarnasest poolusest eemale ja tõmmatakse fikseeritud välja erineva pooluse poole. Pöörlemise säilitamiseks on vaja voolu pidevalt ümber pöörata – nii et pooli polaarsused muutuksid pidevalt, põhjustades mähiste erinevalt fikseeritud pooluste „tagaajamist”. Mähiste toide antakse fikseeritud juhtivate harjade kaudu, mis puutuvad kokku pöörleva kommutaatoriga; see on kommutaatori pöörlemine, mis põhjustab mähiseid läbiva voolu pöördumise. Kommutaator ja harjad on põhikomponendid, mis eristavad harjatud alalisvoolumootorit teistest mootoritüüpidest. Joonis 1 illustreerib harjatud mootori üldist põhimõtet.
Joonis 1: Harjatud alalisvoolumootori töö.
Fikseeritud harjad varustavad pöörlevat kommutaatorit elektrienergiaga. Kui kommutaator pöörleb, pöörab see pidevalt voolu suunda mähistesse, muutes pooli polaarsust nii, et mähised jätkavad pöörlemist paremale. Kommutaator pöörleb, kuna see on kinnitatud rootori külge, millele mähised on paigaldatud.
Mootorid erinevad võimsuse tüübi (vahelduv- või alalisvoolu) ja pöörlemise tekitamise meetodi järgi (joonis 2). Allpool vaatleme lühidalt iga tüübi omadusi ja kasutusalasid.
Erinevat tüüpi mootorid
Harjatud alalisvoolumootoreid, millel on lihtne disain ja lihtne juhtimine, kasutatakse laialdaselt kettasalvede avamiseks ja sulgemiseks. Autodes kasutatakse neid sageli elektriajamiga küljeakende sisse-, välja- ja positsioneerimiseks. Nende mootorite madal hind muudab need sobivaks paljudeks kasutusaladeks. Üks puudus on aga see, et harjad ja kommutaatorid kipuvad nende pideva kokkupuute tõttu suhteliselt kiiresti kuluma, mistõttu on vaja sagedast väljavahetamist ja perioodilist hooldust.
Sammmootorit käitavad impulsid; see pöörleb iga impulsiga läbi kindla nurga (sammu). Kuna pöörlemist juhib täpselt vastuvõetud impulsside arv, kasutatakse neid mootoreid laialdaselt positsiooni reguleerimiseks. Neid kasutatakse sageli näiteks paberisöötmise juhtimiseks faksiaparaatides ja printerites – kuna need seadmed söödavad paberit kindlate sammudega, mis on kergesti korrelatsioonis impulsside arvuga. Peatamist saab ka hõlpsasti juhtida, kuna impulsisignaali katkemisel peatub mootori pöörlemine koheselt.
Sünkroonmootorite puhul on pöörlemine sünkroonne toitevoolu sagedusega. Neid mootoreid kasutatakse sageli mikrolaineahjude pöörlevate plaatide juhtimiseks; Mootori reduktorid saab kasutada toidu soojendamiseks sobiva pöörlemiskiiruse saavutamiseks. Ka asünkroonmootorite puhul muutub pöörlemiskiirus sõltuvalt sagedusest; kuid liikumine ei ole sünkroonne. Varem kasutati neid mootoreid sageli elektriventilaatorites ja pesumasinates.
Tavaliselt kasutatakse erinevat tüüpi mootoreid. Sellel seansil vaatleme harjadeta alalisvoolumootorite eeliseid ja rakendusi.
Miks BLDC mootorid pöörlevad?
Nagu nimigi ütleb, ei kasuta harjadeta alalisvoolumootorid harju. Harjatud mootorite puhul juhivad harjad voolu läbi kommutaatori rootori poolidesse. Kuidas siis harjadeta mootor juhib voolu rootori poolidesse? Ei ole, sest poolid ei asu rootoril. Selle asemel on rootor püsimagnet; poolid ei pöörle, vaid on staatoril paigale kinnitatud. Kuna mähised ei liigu, pole vaja harju ja kommutaatorit. (Vt joonist 3.)
Harjatud mootoriga saavutatakse pöörlemine rootori mähiste poolt tekitatud magnetväljade juhtimisega, samas kui statsionaarsete magnetite tekitatud magnetväli jääb fikseerituks. Pöörlemiskiiruse muutmiseks muudate mähiste pinget. BLDC mootoriga on see püsimagnet, mis pöörleb; pöörlemine saavutatakse ümbritsevate statsionaarsete mähiste tekitatud magnetvälja suuna muutmisega. Pöörlemise juhtimiseks reguleerite nendesse mähistesse siseneva voolu suurust ja suunda.
Kuna rootor on püsimagnet, ei vaja see voolu, mistõttu pole vaja harjasid ja kommutaatorit. Fikseeritud mähiste voolu juhitakse väljastpoolt.
BLDC mootorite eelised
BLDC mootoril, mille staatoril on kolm mähist, on kuus elektrijuhet (igale mähisele kaks), mis ulatuvad nendest mähistest. Enamikus teostustes ühendatakse kolm neist juhtmetest sisemiselt, ülejäänud kolm juhtmest ulatuvad mootori korpusest välja (erinevalt kahest juhtmest, mis ulatuvad välja harjatud mootorist, mida on kirjeldatud varem). Juhtmete ühendamine BLDC mootori korpuses on keerulisem kui lihtsalt toiteelemendi positiivsete ja negatiivsete klemmide ühendamine; Vaatame selle seeria teises seansis lähemalt, kuidas need mootorid töötavad. Allpool käsitleme BLDC mootorite eeliseid.
Üks suur eelis on tõhusus, kuna need mootorid suudavad pidevalt juhtida maksimaalse pöörlemisjõu (pöördemomendi) juures. Seevastu harjatud mootorid saavutavad maksimaalse pöördemomendi ainult teatud pöörlemispunktides. Selleks, et harjatud mootor annaks sama pöördemomendi kui harjadeta mudel, peaks see kasutama suuremaid magneteid. Seetõttu suudavad isegi väikesed BLDC mootorid pakkuda märkimisväärset võimsust.
Teine suur eelis, mis on seotud esimesega, on juhitavus. BLDC mootoreid saab juhtida tagasisidemehhanismide abil, et tagada täpselt soovitud pöördemoment ja pöörlemiskiirus. Täpne juhtimine omakorda vähendab energiatarbimist ja soojuse tootmist ning – juhul, kui mootorid töötavad akutoitel – pikendab aku kasutusiga.
BLDC mootorid pakuvad tänu harjade puudumisele ka suurt vastupidavust ja madalat elektrimüra. Harjatud mootorite puhul kuluvad harjad ja kommutaator pideva liikuva kontakti tagajärjel ning tekitavad kokkupuutekohtades ka sädemeid. Eelkõige on elektrimüra põhjuseks tugevad sädemed, mis kipuvad tekkima kohtades, kus harjad liiguvad üle kommutaatori vahede. Seetõttu peetakse BLDC mootoreid sageli eelistatavaks rakendustes, kus on oluline vältida elektrilist müra.
Ideaalsed rakendused BLDC mootoritele
Oleme näinud, et BLDC mootorid pakuvad suurt kasutegurit ja juhitavust ning neil on pikk kasutusiga. Milleks need siis head on? Nende tõhususe ja pikaealisuse tõttu kasutatakse neid laialdaselt pidevalt töötavates seadmetes. Neid on pikka aega kasutatud pesumasinates, kliimaseadmetes ja muus olmeelektroonikas; ja viimasel ajal ilmuvad need ventilaatoritesse, kus nende kõrge efektiivsus on aidanud oluliselt vähendada energiatarbimist.
Neid kasutatakse ka vaakummasinate juhtimiseks. Ühel juhul põhjustas juhtimisprogrammi muudatus pöörlemiskiiruse suure hüppe – see on näide nende mootorite pakutavast ülimalt juhitavusest.
BLDC mootoreid kasutatakse ka kõvaketaste pöörlemiseks, kus nende vastupidavus tagab draivi töökindluse pika aja jooksul, samas kui nende energiatõhusus aitab kaasa energia vähendamisele piirkonnas, kus see muutub üha olulisemaks.
Tuleviku laiema kasutuse suunas
Tulevikus võime oodata BLDC mootoreid, mida kasutatakse laiemates rakendustes. Näiteks kasutatakse neid tõenäoliselt laialdaselt teenindusrobotite juhtimiseks – väikeste robotite juhtimiseks, mis pakuvad teenuseid muudes valdkondades kui tootmine. Võib arvata, et seda tüüpi rakendustes, kus impulsside abil saaks täpselt positsioneerimist juhtida, sobiksid paremini samm-mootorid. Kuid BLDC mootorid sobivad paremini jõu juhtimiseks. Ja samm-mootori puhul nõuaks sellise konstruktsiooni nagu robotkäe asendi hoidmine suhteliselt suurt ja pidevat voolu. BLDC mootori puhul on vaja ainult välisjõuga proportsionaalset voolu, mis võimaldab tõhusamat juhtimist. BLDC mootorid võivad asendada ka lihtsaid harjatud alalisvoolumootoreid golfikärudes ja liikurkärudes. Lisaks paremale efektiivsusele suudavad BLDC mootorid pakkuda ka täpsemat juhtimist, mis omakorda võib aku eluiga veelgi pikendada.
BLDC mootorid sobivad ideaalselt ka droonide jaoks. Nende võime pakkuda täpset juhtimist muudab need eriti sobivaks mitme rootoriga droonide jaoks, kus drooni asendit kontrollitakse iga rootori pöörlemiskiiruse täpse juhtimisega.
Sellel seansil nägime, kuidas BLDC mootorid pakuvad suurepärast tõhusust, juhitavust ja pikaealisust. Kuid nende mootorite potentsiaali täielikuks ärakasutamiseks on oluline hoolikas ja korralik juhtimine. Järgmisel seansil vaatleme, kuidas need mootorid töötavad.
Postitusaeg: 21. august 2023