מנועים מוברשים לעומת מברשות: הפעלה, בנייה ויישומים

מנועים חשמליים הפכו לחלק עצום מחיינו. הם נמצאים בכל מיני מכשירים החל ממכוניות חשמליות ועד מזל"טים, רובוטים ומכשירי אלקטרוניקה אחרים. באופן כללי, מנוע חשמלי הוא מכשיר הממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. בדרך כלל מכנים אותם כהפך הגמור לגנרטורים מכיוון שהם פועלים על פי עקרונות דומים וניתן להמיר אותם תיאורטית לגנרטורים. הם משמשים למעשה במצבים בהם יש צורך בתנועה סיבובית והם מוצאים יישומים במכשירים (מנועי רטט), רובוטים, ציוד רפואי, צעצועים ועוד.

ניתן לסווג מנועים חשמליים לשתי קטגוריות רחבות בהתבסס על סוג מקור הכוח ששימש עבורם: מנועי AC ומנועי DC. כפי שהשם מרמז, מנועי זרם החשמל מופעלים באופן כללי באמצעות מקורות חשמל AC (חד פאזי או תלת פאזי) ומשמשים בעיקר ביישומים תעשייתיים וכבדים שבהם נדרש מומנט רב. לעומת זאת מנועי DC (שהם המוקד שלנו להיום) הם בדרך כלל קטנים יותר ומשמשים ביישומים מבוססי סוללות (או מחוברים למקורות DC) בהם נדרשת פחות עבודה משמעותית בהשוואה למנועי AC. הם מוצאים יישומים במספר מכשירים החל ממכשירים יומיומיים כמו גוזז גילוח ועד צעצועים לילדים, רובוטים ומזל"טים בין היתר.

הדרישה למנועי DC נבדלת בין יישום אחד לשני, שכן יישום אחד עשוי לדרוש יותר מומנט ולהפחית מהירות בעוד שאחר עשוי לדרוש יותר מהירות ומומנט מופחת, ולכן מנועי DC מסווגים לעיתים על ידי אנשי מכירות על סמך זה. עם זאת, ניתן לסווג מנועי DC לשלוש קטגוריות או סוגים שונים כולל;

1. מנוע DC מוברש
2. מנועי DC ללא מברשות
3. סרוו מוטורס.

למאמר של היום, ההתמקדות שלנו תהיה במנועי DC ללא מברשות ומוברשות, כאשר אנו בוחנים את ההבדל ביניהם לפי עקרון הפעולה, בנייה, יישומים, יתרונות וחסרונות. לסוג השלישי תוכלו לעבור על המאמר המפורט של סרוו מוטור.

עקרון מבצע ובנייה

פעולתם של כל המנועים מבוססת בדרך כלל על שני עקרונות שהם : חוק אמפרס וחוק פאראדיי. הברית החוק הראשון מוליך חשמלי להציב בשדה מגנטי יחוו כוח אם בכלל הנוכחית זורם דרך מוליך יש מרכיב בזווית ישרה השדה. העיקרון השני שאם מנצח מועבר דרך שדה מגנטי, אז כל רכיב של בניצב תנועה אל השדה יפיק הפרש פוטנציאלים בין הקצוות של המנצח.

בהתבסס על חוקים אלה, מנועים חשמליים מורכבים משני חלקים עיקריים; מגנט קבוע וחבורת מוליכים התפתלו בסליל. על ידי מריחת חשמל על הסליל הוא הופך למגנט ומבוסס על העובדה שמגנטים דוחים בקוטבים ונמשכים בקוטבים שונים, מושגת תנועה סיבובית.

מנוע DC מוברש

ידוע כי מנוע ה- DC המוברש הוא אחד המנועים הראשונים והפשוטים ביותר, שכן הוא מיישם את החוקים שתוארו לעיל בצורה הפשוטה ביותר. כמתואר בתמונה למטה בניית מנוע DC מוברש כוללת סטטור קבוע עשוי מגנט קבוע ואבזור נע (רוטור) שעליו רכיבים כמו הקומוטטור, המברשות וטבעת מפוצלת שכולם מונחים סביב המנוע. פיר.

כאשר מועברים חשמל למנוע (דרך סוללה או דרך זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם מתח לחיבור DC), החשמל זורם מהמקור אל האבזור דרך המברשות הנמצאות בדרך כלל בצדדים מנוגדים של פיר המנועים. המברשות (שנוכחותן בתכנון היא גורם מרכזי מאחורי שמו של המנוע), מעבירות זרם חשמלי לאבזור באמצעות מגע פיזי עם הקומוטטור. ברגע שהאבזור (סליל החוט) מופעל אנרגיה, הוא מתחיל להתנהג כמו מגנט ובאותה נקודה הקטבים שלו מתחילים להדוף את הקטבים של המגנט הקבוע המרכיב את הסטטור. כאשר הקטבים נדחים, פיר המנוע אליו מחוברת האבזור מתחיל להסתובב במהירות ובמומנט שתלוי בחוזק השדה המגנטי סביב האבזור.

חוזק השדה המגנטי הוא בדרך כלל פונקציה של המתח המופעל על המברשות ועוצמת המגנט הקבוע המשמש לסטטור.

מנועי DC ללא מברשות

למרות שהם משתמשים באותו עיקרון של אלקטרומגנטיות, מנועים ללא מברשות לעומת זאת מורכבים יותר. הם תוצאה ישירה של מאמצים שנעשו כדי לשפר את היעילות של מנועי DC מוברשים וניתן לתאר אותם בפשטות כמנועים שאינם מאמצים שימוש במברשות לצורך מעבר. עם זאת, האופי הפשטני של תיאור זה מפנה מקום לשאלות כיצד המנוע מניע וכיצד מושגת תנועה ללא מברשות אותם אנסה להסביר.

בניגוד לבניית המנועים המוברשים, במנועים ללא מברשות הדברים מתהפכים. האבזור שבמקרה של המנוע המוברש, מסתובב בתוך הסטטור, הוא נייח במנועים ללא מברשות והמגנט הקבוע, אשר במנועים מוברשים הוא קבוע, משמש כרוטור במנוע ללא מברשות. במילים פשוטות, הסטטור למנועי DC ללא מברשות מורכב מסלילים ואילו הרוטור שלו (אליו מחובר פיר המנוע) מורכב ממגנט קבוע.

מכיוון שמנוע ללא מברשות מבטל את השימוש במברשות בכדי לספק כוח לאבזור, ההחלפה (מעבר) הופכת מורכבת יותר ומתבצעת באופן אלקטרוני באמצעות קבוצה נוספת של רכיבים אלקטרוניים (כמו מגבר המופעל על ידי רכיב מעבר כמו מקודד אופטי) כדי להשיג תנועה. ניתן לחלק אלגוריתמי שינויים במנועי DC ללא מברשות לשניים; שינויים מבוססי חיישנים וחסרי טעם.

בהסבה מבוססת חיישנים, חיישנים (למשל חיישן אולם) ממוקמים לאורך הקטבים של המנוע כדי לספק משוב למעגלי הבקרה כדי לעזור לו להעריך את מיקום הרוטור. ישנם שלושה אלגוריתמים פופולריים המשמשים לנסיעות מבוססות חיישנים;

1. שינויים טרפזיים
2. שינויים בסינוסים
3. שליטה וקטורית (או מונחית שדה).

לכל אחד מאלגוריתם הבקרה הללו היתרונות והחסרונות שלו וניתן ליישם את האלגוריתמים בדרכים שונות בהתאם לתוכנה ולעיצוב חומרת האלקטרוניקה כדי לבצע שינויים הכרחיים.

לעומת זאת, בנסיבות נטולות חיישנים, במקום להציב חיישנים בתוך המנועים, מעגלי הבקרה נועדו למדוד את ה- EMF האחורי בכדי להעריך את מיקום הרוטור.

אלגוריתם זה מתפקד די טוב ומחירו מופחת מכיוון שמעלים את חיישני האולם מסולקים אך יישומו מורכב בהרבה בהשוואה לאלגוריתמים המבוססים על חיישנים.

יתרון וחסרונות

במנועי DC מוברשים המברשות נמצאות במגע מתמיד עם הקומוטטור המסתובב. זה מוביל לכמות חיכוך ניכרת שנוצרת וזה בתורו מוביל לאובדן אנרגיה לחום וללבוש הדרגתי של המברשות. לפיכך, מנועי DC מוברשים בעלי יעילות נמוכה ודורשים תחזוקה תקופתית. זה יוצר חיכוך רב, וחיכוך שווה חום (אובדן אנרגיה) ובלאי. לעומת זאת DC ללא מברשות הם למעשה ללא חיכוך ובכך בעלי יעילות גבוהה באמת, דורשים אפס תחזוקה ומחזיקים זמן רב יותר ממנועי DC מוברשים.

עם זאת, מנועי DC מוברשים זולים מאוד בהשוואה לעמיתיהם ללא מברשות בשל האופי הפשוט של העיצוב שלהם. לעומת זאת, מנועי DC ללא מברשות יקרים למדי בשל תכנונם המורכב והעלות הנוספת של רכיבי האלקטרוניקה הנוספים (בקרים) הנדרשים להנעתם.

יישומים

בעוד שמנועי DC ללא מברשות פופולאריים יותר בימינו, מנועי DC מוברשים עדיין משמשים במכשירים ביתיים יומיומיים, בצעצועים לילדים וביישומים תעשייתיים בשל הקלות בה ניתן לשנות את מהירותם למומנט. בשל עלותם הנמוכה, הם משמשים ביישומים שבהם המכשיר המארח עלול להיכשל לפני המנועים.

לעומת זאת, מנועי DC ללא מברשות מצאו יישומים בכל מיני מכשירים, החל מציוד רפואי, רובוטים ומזל"טים למכוניות חשמליות, כלי עבודה וכו '. הם משמשים בעיקר ביישומים הדורשים יעילות גבוהה, אורך חיים ושווים את העלות.

גורמים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירה בין מנועי DC ללא מברשות

מלבד מהירות, מומנט, דירוג הספק ודרישות בסיסיות אחרות ליישום שלך להלן הם שלושה גורמים שלדעתי יכול להיות טוב שיש לקחת בחשבון בעת ​​קבלת החלטה על סוג המנוע לפרוס ליישום שלך.

1. מחזור עבודה / חיי שירות
2. יְעִילוּת
3. שליטה / הפעלה
4. עֲלוּת

מחזור עבודה / חיי שירות

חיי השירות מתארים כמה זמן המנוע נדרש לפעול לפני תקלה ובאיזה מחזור חובה. זה חשוב מכיוון שמנוע DC מוברש כאמור לעיל רגישים לשחיקה בגלל החיכוך בין המברשות לקומוטטור. לכן חשוב לוודא שהיישום הוא יישום בו המנוע יהיה פונקציונלי לאורך חיי השירות או יישום שבו שירות המנוע ייחשב כרגיל וזול אם יש להשתמש במנועי DC מוברשים. דוגמא טובה לכך היא בצעצועי ילדים, שם הצעצועים נזרקים בדרך כלל או ניזוקים לפני שהמנוע נשחק. ביישומים עם חיי שירות ארוכים ושירות המנוע אינו אפשרות קיימא, מנועי DC ללא מברשות הם בדרך כלל האופציה הנבונה.

יְעִילוּת

בדרך כלל, למנועי DC ללא מברשות יש יעילות כוללת גבוהה יותר בהשוואה למנועי DC מוברשים, אך היו מקרים של מנועים מוברשים ללא ברזל בעלי יעילות מעולה בהשוואה למנועים ללא מברשות. עם זאת, חשוב להעריך את היעילות הנדרשת הכוללת ולהשוות אותה לזו של כל מנוע לפני קבלת החלטה. ברוב המקרים בהם יעילות היא הגורם המכריע, מנועי DC ללא מברשות בדרך כלל מנצחים.

שליטה / הפעלה

זו בדרך כלל אחת החסרונות העיקריים בכל הנוגע לשימוש במנועי DC ללא מברשות. הדרישות הנוספות כמו בקרים וכו 'הופכות את ההפעלה למורכבת יותר בהשוואה לזו של מנועי DC מוברשים אשר יכולים להיות מופעלים / מופעלים בשיטות טריוויאליות כמו חיבור סוללה על המסופים שלה. עליכם לוודא כי המורכבות הכרוכה בשימוש במנוע DC ללא מברשות לפרויקט מוצדקת והאלקטרוניקה התומכת כמו הבקרים זמינה. ללא קשר לפשטותם של מנועי DC מוברשים, לעיתים הם אינם מתאימים ליישומים בעלי דיוק גבוה. בעוד שמנוע DC מוברש יכול להתחבר בקלות לבקר כמו Arduino, זה הרבה יותר מורכב לחבר BLDC עם Arduino Uno, אולם ה- ESC (בקר מהירות אלקטרוני)) מקל על ממשק BLDC עם מיקרו-בקר.

עֲלוּת

המורכבות של העיצוב של מנועי DC ללא מברשות מייצרת אותם ממש בהשוואה למנועי DC מוברשים. ודא שהעלויות הנוספות הן בגבולות סבירים לפרויקט לפני שאתה הולך למנועי DC ללא מברשות. שקול גם את העלות של שאר האביזרים הנדרשים לשימוש ב- BLDC לפני שתקבל החלטה.