Borstlösa motorer är en mängd olika elektriska motorer som, till skillnad från konventionella borst- eller kolmotorer, avlägsnandet av kol i borstlösa motorer ökar effektiviteten och livslängden hos dessa motorer jämfört med konventionella kolmotorer.
På grund av de många fördelarna med borstlösa motorer använder våra många verktyg borstlösa motorer för att åtfölja dig med sin unika kraft i alla situationer. Längre livslängd, låg vikt och mindre ljudproduktion är bland de egenskaper som skiljer dessa motorer från koleldade motorer.
Motorer är Power Delivery Machines
När ingenjörer ställs inför utmaningen att designa elektrisk utrustning för att utföra mekaniska uppgifter, kanske de tänker på hur elektriska signaler omvandlas till energi. Så ställdon och motorer är bland de enheter som omvandlar elektriska signaler till rörelse. Motorer byter ut elektrisk energi till mekanisk energi.
Den enklaste typen av motor är den borstade DC-motorn. I denna typ av motor leds elektrisk ström genom spolar som är anordnade inom ett fast magnetfält. Strömmen genererar magnetiska fält i spolarna; detta får spolenheten att rotera, eftersom varje spole skjuts bort från den liknande stolpen och dras mot den olika polen i det fasta fältet. För att bibehålla rotationen är det nödvändigt att kontinuerligt vända strömmen - så att spolpolariteterna ständigt vänder, vilket gör att spolarna fortsätter att "jaga" de till skillnad från fasta polerna. Ström till spolarna tillförs genom fasta ledande borstar som kommer i kontakt med en roterande kommutator; det är kommutatorns rotation som orsakar omkastningen av strömmen genom spolarna. Kommutatorn och borstarna är nyckelkomponenterna som skiljer den borstade DC-motorn från andra motortyper. Figur 1 visar den allmänna principen för den borstade motorn.
Figur 1: Drift av den borstade likströmsmotorn.
Fasta borstar levererar elektrisk energi till den roterande kommutatorn. När kommutatorn roterar vänder den kontinuerligt strömriktningen in i spolarna och vänder spolens polariteter så att spolarna bibehåller rotation åt höger. Kommutatorn roterar eftersom den är fäst vid rotorn som spolarna är monterade på.
Motorer skiljer sig beroende på deras effekttyp (AC eller DC) och deras metod för att generera rotation (Figur 2). Nedan tittar vi kort på funktionerna och användningarna för varje typ.
Olika typer av motorer
Borstade likströmsmotorer, med enkel design och enkel kontroll, används ofta för att öppna och stänga skivfack. I bilar används de ofta för att dra in, skjuta ut och placera elektriskt drivna sidofönster. Den låga kostnaden för dessa motorer gör dem lämpliga för många användningsområden. En nackdel är dock att borstar och kommutatorer tenderar att slitas relativt snabbt som ett resultat av deras fortsatta kontakt, vilket kräver frekvent byte och periodiskt underhåll.
En stegmotor drivs av pulser; den roterar genom en specifik vinkel (steg) med varje puls. Eftersom rotationen är exakt styrd av antalet mottagna pulser, används dessa motorer i stor utsträckning för att implementera positionsjusteringar. De används ofta, till exempel för att styra pappersmatning i faxmaskiner och skrivare, eftersom dessa enheter matar papper i fasta steg, som lätt kan korreleras med pulsräkning. Pausning kan också enkelt kontrolleras, eftersom motorrotationen stannar omedelbart när pulssignalen avbryts.
Med synkronmotorer är rotationen synkron med matningsströmmens frekvens. Dessa motorer används ofta för att driva de roterande brickorna i mikrovågsugnar; reduktionsväxlar i motorenheten kan användas för att erhålla lämpliga rotationshastigheter för att värma mat. Även med induktionsmotorer varierar rotationshastigheten med frekvensen; men rörelsen är inte synkron. Förr i tiden användes dessa motorer ofta i elektriska fläktar och tvättmaskiner.
Det finns olika typer av motorer som används ofta. I den här sessionen tittar vi på fördelarna och tillämpningarna med borstlösa DC-motorer.
Varför snurrar BLDC-motorer?
Som namnet antyder använder borstlösa DC-motorer inte borstar. Med borstade motorer levererar borstarna ström genom kommutatorn in i spolarna på rotorn. Så hur leder en borstlös motor ström till rotorspolarna? Det gör det inte – eftersom spolarna inte är placerade på rotorn. Istället är rotorn en permanentmagnet; spolarna roterar inte utan sitter istället fast på statorn. Eftersom spolarna inte rör sig behövs inga borstar och en kommutator. (Se bild. 3.)
Med den borstade motorn uppnås rotation genom att styra magnetfälten som genereras av spolarna på rotorn, medan magnetfältet som genereras av de stationära magneterna förblir fixerat. För att ändra rotationshastigheten ändrar du spänningen för spolarna. Med en BLDC-motor är det permanentmagneten som roterar; rotation uppnås genom att ändra riktningen på magnetfälten som genereras av de omgivande stationära spolarna. För att styra rotationen justerar du storleken och riktningen på strömmen i dessa spolar.
Eftersom rotorn är en permanentmagnet behöver den ingen ström, vilket eliminerar behovet av borstar och kommutator. Strömmen till de fasta spolarna styrs utifrån.
Fördelar med BLDC-motorer
En BLDC-motor med tre spolar på statorn kommer att ha sex elektriska ledningar (två till varje spole) som sträcker sig från dessa spolar. I de flesta implementeringar kommer tre av dessa trådar att vara anslutna internt, med de tre återstående trådarna som sträcker sig från motorkroppen (i motsats till de två trådarna som sträcker sig från den borstade motorn som beskrivits tidigare). Kabeldragning i BLDC-motorhöljet är mer komplicerat än att bara ansluta kraftcellens positiva och negativa terminaler; vi kommer att titta närmare på hur dessa motorer fungerar i den andra sessionen i denna serie. Nedan avslutar vi med att titta på fördelarna med by BLDC-motorer.
En stor fördel är effektiviteten, eftersom dessa motorer kan styra kontinuerligt med maximal rotationskraft (vridmoment). Borstade motorer når däremot maximalt vridmoment endast vid vissa punkter i rotationen. För att en borstad motor ska leverera samma vridmoment som en borstlös modell, skulle den behöva använda större magneter. Det är därför även små BLDC-motorer kan leverera avsevärd effekt.
Den andra stora fördelen – relaterad till den första – är kontrollerbarhet. BLDC-motorer kan styras med hjälp av återkopplingsmekanismer för att leverera exakt önskat vridmoment och rotationshastighet. Precisionsstyrning minskar i sin tur energiförbrukningen och värmegenereringen, och – i de fall där motorer drivs med batteri – förlänger batteriets livslängd.
BLDC-motorer erbjuder också hög hållbarhet och låg generering av elektriskt brus, tack vare bristen på borstar. Med borstade motorer slits borstarna och kommutatorn ner till följd av kontinuerlig rörlig kontakt, och ger även gnistor där kontakten uppstår. Elektriskt brus, i synnerhet, är resultatet av de starka gnistor som tenderar att uppstå vid de områden där borstarna passerar över mellanrummen i kommutatorn. Det är därför BLDC-motorer ofta anses vara att föredra i applikationer där det är viktigt att undvika elektriskt brus.
Idealiska applikationer för BLDC-motorer
Vi har sett att BLDC-motorer erbjuder hög effektivitet och kontrollerbarhet, och att de har en lång livslängd. Så vad är de bra för? På grund av sin effektivitet och livslängd används de i stor utsträckning i enheter som körs kontinuerligt. De har länge använts i tvättmaskiner, luftkonditioneringsapparater och annan hemelektronik; och på senare tid dyker de upp i fläktar, där deras höga effektivitet har bidragit till en betydande minskning av strömförbrukningen.
De används också för att köra vakuummaskiner. I ett fall resulterade en förändring i styrprogrammet i ett stort hopp i rotationshastigheten - ett exempel på den superlativa styrbarheten som erbjuds av dessa motorer.
BLDC-motorer används också för att snurra hårddiskar, där deras hållbarhet gör att enheterna fungerar pålitligt på lång sikt, samtidigt som deras effekteffektivitet bidrar till energireduktion i ett område där detta blir allt viktigare.
Mot bredare användning i framtiden
Vi kan förvänta oss att se BLDC-motorer användas i ett bredare spektrum av applikationer i framtiden. Till exempel kommer de förmodligen att användas i stor utsträckning för att driva tjänsterobotar – små robotar som levererar tjänster inom andra områden än tillverkning. Man skulle kunna tro att stegmotorer skulle vara mer lämpliga i den här typen av applikationer, där pulser skulle kunna användas för att exakt styra positionering. Men BLDC-motorer är bättre lämpade för att styra kraften. Och med en stegmotor skulle det krävas en relativt stor och kontinuerlig ström för att hålla positionen för en struktur som en robotarm. Med en BLDC-motor är allt som krävs en ström som är proportionell mot den externa kraften – vilket möjliggör en mer energieffektiv kontroll. BLDC-motorer kan också ersätta enkla borstade likströmsmotorer i golfbilar och mobilitetsvagnar. Utöver sin bättre effektivitet kan BLDC-motorer också leverera mer exakt kontroll – vilket i sin tur kan förlänga batteritiden ytterligare.
BLDC-motorer är också idealiska för drönare. Deras förmåga att leverera precisionskontroll gör dem speciellt lämpade för flerrotordrönare, där drönarens attityd styrs genom att exakt styra rotationshastigheten för varje rotor.
I den här sessionen har vi sett hur BLDC-motorer erbjuder utmärkt effektivitet, kontrollerbarhet och lång livslängd. Men noggrann och korrekt kontroll är avgörande för att dra full nytta av dessa motorers potential. I vår nästa session kommer vi att titta på hur dessa motorer fungerar.
Posttid: 21 augusti 2023