Børsteløse motorer er en rekke elektriske motorer som, i motsetning til konvensjonelle børste- eller kullmotorer, fjerning av kull i børsteløse motorer øker effektiviteten og levetiden til disse motorene sammenlignet med konvensjonelle kullmotorer.
På grunn av de mange fordelene med børsteløse motorer, bruker våre mange verktøy børsteløse motorer for å følge deg med sin unike kraft i enhver situasjon. Lengre levetid, lav vekt og mindre støyproduksjon er blant egenskapene som skiller disse motorene fra kullmotorer.
Motorer er kraftforsyningsmaskiner
Når ingeniører står overfor utfordringen med å designe elektrisk utstyr for å utføre mekaniske oppgaver, kan de tenke på hvordan elektriske signaler blir omdannet til energi. Så aktuatorer og motorer er blant enhetene som konverterer elektriske signaler til bevegelse. Motorer utveksler elektrisk energi til mekanisk energi.
Den enkleste motortypen er den børstede DC-motoren. I denne typen motor føres elektrisk strøm gjennom spoler som er anordnet innenfor et fast magnetfelt. Strømmen genererer magnetiske felt i spolene; dette får spoleenheten til å rotere, ettersom hver spole skyves bort fra den samme polen og trekkes mot den ulikte polen til det faste feltet. For å opprettholde rotasjonen er det nødvendig å reversere strømmen kontinuerlig - slik at spolens polariteter vil snu kontinuerlig, noe som får spolene til å fortsette å "jage" mot de faste polene. Strøm til spolene leveres gjennom faste ledende børster som kommer i kontakt med en roterende kommutator; det er rotasjonen av kommutatoren som forårsaker reversering av strømmen gjennom spolene. Kommutatoren og børstene er nøkkelkomponentene som skiller den børstede DC-motoren fra andre motortyper. Figur 1 illustrerer det generelle prinsippet for den børstede motoren.
Figur 1: Drift av børstet likestrømsmotor.
Faste børster leverer elektrisk energi til den roterende kommutatoren. Når kommutatoren roterer, snur den kontinuerlig retningen til strømmen inn i spolene, og reverserer spolens polaritet slik at spolene opprettholder rotasjon til høyre. Kommutatoren roterer fordi den er festet til rotoren som spolene er montert på.
Motorer er forskjellige i henhold til deres effekttype (AC eller DC) og deres metode for å generere rotasjon (Figur 2). Nedenfor ser vi kort på funksjonene og bruksområdene for hver type.
Ulike typer motorer
Børstede likestrømsmotorer, med enkel design og enkel kontroll, er mye brukt til å åpne og lukke diskbrett. I biler brukes de ofte til å trekke inn, forlenge og plassere elektrisk drevne sidevinduer. Den lave kostnaden for disse motorene gjør dem egnet for mange bruksområder. En ulempe er imidlertid at børster og kommutatorer har en tendens til å slites relativt raskt som følge av deres fortsatte kontakt, noe som krever hyppig utskifting og periodisk vedlikehold.
En trinnmotor drives av pulser; den roterer gjennom en bestemt vinkel (trinn) med hver puls. Fordi rotasjonen er nøyaktig kontrollert av antall mottatte pulser, er disse motorene mye brukt til å implementere posisjonsjusteringer. De brukes ofte for eksempel til å kontrollere papirmating i faksmaskiner og skrivere - siden disse enhetene mater papir i faste trinn, som lett kan korreleres med pulstelling. Pausing kan også enkelt kontrolleres, siden motorrotasjonen stopper umiddelbart når pulssignalet avbrytes.
Med synkronmotorer er rotasjonen synkron med frekvensen til forsyningsstrømmen. Disse motorene brukes ofte til å drive de roterende skuffene i mikrobølgeovner; reduksjonsgir i motorenheten kan brukes for å oppnå passende rotasjonshastigheter for å varme opp mat. Også med induksjonsmotorer varierer rotasjonshastigheten med frekvensen; men bevegelsen er ikke synkron. Tidligere ble disse motorene ofte brukt i elektriske vifter og vaskemaskiner.
Det er forskjellige typer motorer i vanlig bruk. I denne økten ser vi på fordelene og bruksområdene til børsteløse DC-motorer.
Hvorfor snur BLDC-motorer?
Som navnet tilsier, bruker ikke børsteløse DC-motorer børster. Med børstede motorer leverer børstene strøm gjennom kommutatoren inn i spolene på rotoren. Så hvordan sender en børsteløs motor strøm til rotorspolene? Det gjør det ikke - fordi spolene ikke er plassert på rotoren. I stedet er rotoren en permanent magnet; spolene roterer ikke, men er i stedet festet på plass på statoren. Fordi spolene ikke beveger seg, er det ikke behov for børster og en kommutator. (Se figur 3.)
Med den børstede motoren oppnås rotasjon ved å kontrollere magnetfeltene som genereres av spolene på rotoren, mens magnetfeltet som genereres av de stasjonære magnetene forblir fast. For å endre rotasjonshastigheten endrer du spenningen for spolene. Med en BLDC-motor er det permanentmagneten som roterer; rotasjon oppnås ved å endre retningen til magnetfeltene som genereres av de omkringliggende stasjonære spolene. For å kontrollere rotasjonen justerer du størrelsen og retningen på strømmen inn i disse spolene.
Siden rotoren er en permanent magnet, trenger den ingen strøm, noe som eliminerer behovet for børster og kommutator. Strøm til de faste spolene styres fra utsiden.
Fordeler med BLDC-motorer
En BLDC-motor med tre spoler på statoren vil ha seks elektriske ledninger (to til hver spole) som strekker seg fra disse spolene. I de fleste implementeringer vil tre av disse ledningene være koblet internt, med de tre gjenværende ledningene som strekker seg fra motorhuset (i motsetning til de to ledningene som strekker seg fra den børstede motoren beskrevet tidligere). Kabling i BLDC-motorhuset er mer komplisert enn å bare koble sammen strømcellens positive og negative terminaler; vi skal se nærmere på hvordan disse motorene fungerer i den andre økten av denne serien. Nedenfor avslutter vi med å se på fordelene ved BLDC-motorer.
En stor fordel er effektiviteten, da disse motorene kan styre kontinuerlig med maksimal rotasjonskraft (moment). Børstede motorer, derimot, når maksimalt dreiemoment på bare visse punkter i rotasjonen. For at en børstet motor skal levere samme dreiemoment som en børsteløs modell, må den bruke større magneter. Dette er grunnen til at selv små BLDC-motorer kan levere betydelig kraft.
Den andre store fordelen - relatert til den første - er kontrollerbarhet. BLDC-motorer kan styres ved hjelp av tilbakemeldingsmekanismer for å levere nøyaktig ønsket dreiemoment og rotasjonshastighet. Presisjonskontroll reduserer igjen energiforbruket og varmeutviklingen, og - i tilfeller der motorer er batteridrevne - forlenger batteriets levetid.
BLDC-motorer tilbyr også høy holdbarhet og lav elektrisk støygenerering, takket være mangelen på børster. Med børstede motorer slites børstene og kommutatoren ned som følge av kontinuerlig bevegelig kontakt, og produserer også gnister der det oppstår kontakt. Spesielt elektrisk støy er et resultat av de sterke gnistene som har en tendens til å oppstå i områdene der børstene passerer over hullene i kommutatoren. Dette er grunnen til at BLDC-motorer ofte anses å foretrekke i applikasjoner der det er viktig å unngå elektrisk støy.
Ideelle bruksområder for BLDC-motorer
Vi har sett at BLDC-motorer tilbyr høy effektivitet og kontrollerbarhet, og at de har lang levetid. Så hva er de gode for? På grunn av deres effektivitet og lang levetid, er de mye brukt i enheter som kjører kontinuerlig. De har lenge vært brukt i vaskemaskiner, klimaanlegg og annen forbrukerelektronikk; og mer nylig dukker de opp i vifter, der deres høye effektivitet har bidratt til en betydelig reduksjon i strømforbruket.
De brukes også til å kjøre vakuummaskiner. I ett tilfelle resulterte en endring i kontrollprogrammet i et stort hopp i rotasjonshastighet - et eksempel på den superlative kontrollerbarheten som tilbys av disse motorene.
BLDC-motorer brukes også til å spinne harddisker, der deres holdbarhet holder stasjonene i drift på lang sikt, mens strømeffektiviteten deres bidrar til energireduksjon i et område hvor dette blir stadig viktigere.
Mot bredere bruk i fremtiden
Vi kan forvente å se BLDC-motorer brukes i et bredere spekter av bruksområder i fremtiden. For eksempel vil de sannsynligvis bli mye brukt til å drive serviceroboter – små roboter som leverer tjenester innen andre felt enn produksjon. Man skulle kanskje tro at trinnmotorer ville være mer egnet i denne typen applikasjoner, hvor pulser kunne brukes til å nøyaktig styre posisjonering. Men BLDC-motorer er bedre egnet til å kontrollere kraften. Og med en trinnmotor vil det å holde posisjonen til en struktur som en robotarm kreve en relativt stor og kontinuerlig strøm. Med en BLDC-motor er alt som kreves en strøm proporsjonal med den ytre kraften – noe som muliggjør mer strømeffektiv kontroll. BLDC-motorer kan også erstatte enkle børstede likestrømsmotorer i golfbiler og mobilitetsvogner. I tillegg til deres bedre effektivitet, kan BLDC-motorer også levere mer presis kontroll – som igjen kan forlenge batterilevetiden ytterligere.
BLDC-motorer er også ideelle for droner. Deres evne til å levere presisjonskontroll gjør dem spesielt egnet for droner med flere rotorer, hvor dronens holdning styres ved nøyaktig å kontrollere rotasjonshastigheten til hver rotor.
I denne økten har vi sett hvordan BLDC-motorer tilbyr utmerket effektivitet, kontrollerbarhet og lang levetid. Men forsiktig og riktig kontroll er avgjørende for å dra full nytte av disse motorenes potensial. I vår neste økt skal vi se på hvordan disse motorene fungerer.
Innleggstid: 21. august 2023