Gebürstete oder bürstenlose Motoren: Betrieb, Konstruktion und Anwendungen

Elektromotoren sind zu einem großen Teil unseres Lebens geworden. Sie sind in allen Arten von Geräten zu finden, von Elektroautos bis hin zu Drohnen, Robotern und anderen elektronischen Geräten. Im Allgemeinen ist ein Elektromotor ein Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Sie werden normalerweise als genaues Gegenteil von Generatoren bezeichnet, da sie nach ähnlichen Prinzipien arbeiten und theoretisch in Generatoren umgewandelt werden können. Sie werden im Wesentlichen in Situationen eingesetzt, in denen Drehbewegungen erforderlich sind, und finden Anwendung in Geräten (Vibrationsmotoren), Robotern, medizinischen Geräten, Spielzeugen und vielem mehr.

Elektromotoren können je nach Art der für sie verwendeten Stromquelle in zwei große Kategorien eingeteilt werden: Wechselstrommotoren und Gleichstrommotoren. Wie der Name schon sagt, werden Wechselstrommotoren generisch mit Wechselstromquellen (einphasig oder dreiphasig) betrieben und hauptsächlich in Industrie- und Hochleistungsanwendungen eingesetzt, bei denen viel Drehmoment erforderlich ist. Gleichstrommotoren (auf die wir uns heute konzentrieren) sind normalerweise kleiner und werden in batteriebetriebenen (oder an Gleichstromquellen angeschlossenen) Anwendungen verwendet, bei denen im Vergleich zu Wechselstrommotoren erheblich weniger Arbeit erforderlich ist. Sie finden Anwendung in verschiedenen Geräten, von alltäglichen Geräten wie Rasierapparaten bis hin zu Spielzeug für Kinder, Robotern und Drohnen.

Die Anforderungen an Gleichstrommotoren unterscheiden sich von Anwendung zu Anwendung, da eine Anwendung möglicherweise mehr Drehmoment erfordert und die Drehzahl verringert, während eine andere Anwendung möglicherweise mehr Drehzahl und ein geringeres Drehmoment erfordert. Daher werden Gleichstrommotoren manchmal von Verkäufern auf dieser Grundlage klassifiziert. Allerdings können Gleichstrommotoren in drei verschiedene Kategorien oder Typen eingeteilt werden, einschließlich;

1. Gebürsteter Gleichstrommotor
2. Bürstenlose Gleichstrommotoren
3. Servomotor.

Für den heutigen Artikel konzentrieren wir uns auf bürstenlose und gebürstete Gleichstrommotoren, da wir den Unterschied zwischen ihnen im Hinblick auf Funktionsprinzip, Konstruktion, Anwendungen, Vor- und Nachteile untersuchen. Für den dritten Typ können Sie den ausführlichen Artikel des Servomotors durchgehen.

Funktionsprinzip und Aufbau

Der Betrieb aller Motoren sind auf zwei Prinzipien basieren in der Regel, die sind ; Ampere-Gesetz und Faraday-Gesetz. Das erste Gesetz besagt, dass ein elektrischer Leiter, der in einem Magnetfeld angeordnet ist, eine Kraft erfährt, wenn ein durch den Leiter fließender Strom eine Komponente im rechten Winkel zu diesem Feld aufweist. Das zweite Prinzip besagt, dass, wenn ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird, jede Bewegungskomponente senkrecht zu diesem Feld eine Potentialdifferenz zwischen den Enden des Leiters erzeugt.

Basierend auf diesen Gesetzen bestehen Elektromotoren aus zwei Hauptteilen; Ein Permanentmagnet und ein Bündel von Leitern, die zu einer Spule gewickelt sind. Durch Anlegen von Elektrizität an die Spule wird sie zu einem Magneten und basierend auf der Tatsache, dass Magnete sich an ähnlichen Polen abstoßen und an unterschiedlichen Polen anziehen, wird eine Drehbewegung erreicht.

Gebürsteter Gleichstrommotor

Der bürstenbehaftete Gleichstrommotor ist als einer der frühesten und einfachsten Motoren bekannt, da er die oben beschriebenen Gesetze auf einfachste Weise umsetzt. Wie in der folgenden Abbildung beschrieben, besteht der Aufbau eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors aus einem festen Stator aus einem Permanentmagneten und einem beweglichen Anker (Rotor), auf dem Komponenten wie Kommutator, Bürsten und Spaltring alle um den Motor herum angeordnet sind Welle.

Wenn der Motor mit Strom versorgt wird (über eine Batterie oder über eine angeschlossene Wechselstrom- / Gleichstromquelle), fließt Strom von der Quelle zum Anker über die Bürsten, die sich normalerweise auf gegenüberliegenden Seiten der Motorwelle befinden. Die Bürsten (deren Vorhandensein in der Konstruktion ein wesentlicher Faktor für den Namen des Motors ist) übertragen durch physischen Kontakt mit dem Kommutator elektrischen Strom zum Anker. Sobald der Anker (die Drahtspule) erregt ist, verhält er sich wie ein Magnet und an diesem Punkt stoßen seine Pole die Pole des Permanentmagneten ab, aus dem der Stator besteht. Wenn sich die Pole abstoßen, beginnt sich die Motorwelle, an der der Anker befestigt ist, mit einer Geschwindigkeit und einem Drehmoment zu drehen, die von der Stärke des Magnetfelds um den Anker abhängen.

Die Stärke des Magnetfelds ist normalerweise eine Funktion der an den Bürsten angelegten Spannung und der Stärke des für den Stator verwendeten Permanentmagneten.

Bürstenlose Gleichstrommotoren

Obwohl sie das gleiche Prinzip des Elektromagnetismus verwenden, sind bürstenlose Motoren andererseits komplexer. Sie sind ein direktes Ergebnis der Bemühungen, die Effizienz von gebürsteten Gleichstrommotoren zu verbessern, und können einfach als Motoren bezeichnet werden, die keine Bürsten zur Kommutierung verwenden. Die Vereinfachung dieser Beschreibung weicht jedoch Fragen darüber, wie der Motor angetrieben wird und wie Bewegung ohne Bürsten erreicht wird, die ich zu erklären versuchen werde.

Im Gegensatz zum Aufbau der Bürstenmotoren werden bei bürstenlosen Motoren Dinge umgedreht. Der Anker, der sich im Fall des Bürstenmotors innerhalb des Stators dreht, ist bei bürstenlosen Motoren stationär, und der Permanentmagnet, der bei Bürstenmotoren befestigt ist, dient als Rotor bei einem bürstenlosen Motor. Einfach ausgedrückt besteht der Stator für bürstenlose Gleichstrommotoren aus Spulen, während sein Rotor (an dem die Motorwelle befestigt ist) aus einem Permanentmagneten besteht.

Da der bürstenlose Motor die Verwendung von Bürsten zur Stromversorgung des Ankers überflüssig macht, wird das Schalten (Kommutieren) komplexer und erfolgt elektronisch unter Verwendung eines zusätzlichen Satzes elektronischer Komponenten (wie eines Verstärkers, der durch eine kommutierende Komponente wie einen optischen Encoder ausgelöst wird), um eine Bewegung zu erzielen. Kommutierungsalgorithmen für bürstenlose Gleichstrommotoren können in zwei unterteilt werden. Sensorbasierte und sinnlose Kommutierung.

Bei der sensorgestützten Kommutierung werden Sensoren (z. B. Hallsensor) entlang der Pole des Motors platziert, um eine Rückmeldung an die Steuerschaltung zu geben, damit diese die Rotorposition abschätzen kann. Es gibt drei gängige Algorithmen für die sensorgestützte Kommutierung.

1. Trapezkommutierung
2. Sinuskommutierung
3. Vektor- (oder feldorientierte) Steuerung.

Jeder dieser Steueralgorithmen hat seine Vor- und Nachteile, und die Algorithmen können je nach Software und Design der elektronischen Hardware auf unterschiedliche Weise implementiert werden, um die erforderlichen Änderungen vorzunehmen.

Bei der sensorlosen Kommutierung hingegen ist die Steuerschaltung anstelle von Sensoren in den Motoren so ausgelegt, dass sie die Gegen-EMK misst, um die Rotorposition abzuschätzen.

Dieser Algorithmus arbeitet ziemlich gut und ist kostengünstiger, da die Kosten für die Hallsensoren entfallen, aber seine Implementierung ist im Vergleich zu den sensorgestützten Algorithmen viel komplexer.

Vor- und Nachteile

Bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren stehen die Bürsten in ständigem Kontakt mit dem rotierenden Kommutator. Dies führt zu einer beträchtlichen Reibung, die wiederum zu einem Energieverlust durch Wärme und einem allmählichen Verschleiß der Bürsten führt. Gebürstete Gleichstrommotoren haben daher einen geringen Wirkungsgrad und erfordern eine regelmäßige Wartung. Dies erzeugt viel Reibung und Reibung entspricht Wärme (Energieverlust) und Verschleiß. Bürstenloser Gleichstrom hingegen ist im Wesentlichen reibungsfrei und hat daher einen sehr hohen Wirkungsgrad, ist wartungsfrei und hält länger als bürstenbehaftete Gleichstrommotoren.

Allerdings bürstenbehaftete DC - Motoren sind sehr billig im Vergleich zu ihren Pendants Brushless aufgrund der einfachen Art ihrer Gestaltung. Bürstenlose Gleichstrommotoren hingegen sind aufgrund ihres komplexen Aufbaus und der zusätzlichen Kosten für die zusätzlichen elektronischen Komponenten (Steuerungen), die für ihren Antrieb erforderlich sind, recht teuer.

Anwendungen

Während bürstenlose Gleichstrommotoren heutzutage immer beliebter werden, werden gebürstete Gleichstrommotoren aufgrund der Leichtigkeit, mit der das Verhältnis von Drehzahl zu Drehmoment variiert werden kann, immer noch in alltäglichen Haushaltsgeräten, Kinderspielzeug und in industriellen Anwendungen verwendet. Aufgrund ihrer geringen Kosten werden sie in Anwendungen eingesetzt, bei denen das Host-Gerät vor den Motoren ausfallen könnte.

Bürstenlose Gleichstrommotoren hingegen haben Anwendung in allen Arten von Geräten gefunden, von medizinischen Geräten, Robotern und Drohnen bis hin zu Elektroautos, Elektrowerkzeugen usw. Sie werden im Wesentlichen in Anwendungen eingesetzt, die einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer erfordern und die Kosten wert sind.

Faktoren, die bei der Auswahl zwischen bürstenlosen und bürstenbehafteten Gleichstrommotoren zu berücksichtigen sind

Abgesehen von Geschwindigkeit, Drehmoment, Nennleistung und anderen grundlegenden Anforderungen für Ihre Anwendung sind im Folgenden drei Faktoren aufgeführt, die meiner Meinung nach bei der Entscheidung über den Motortyp, der für Ihre Anwendung eingesetzt werden soll, ebenfalls berücksichtigt werden können.

1. Arbeitszyklus / Lebensdauer
2. Effizienz
3. Steuerung / Betätigung
4. Kosten

Arbeitszyklus / Lebensdauer

Die Lebensdauer beschreibt, wie lange der Motor vor dem Ausfall arbeiten muss und bei welchem ​​Arbeitszyklus. Dies ist wichtig, da der bürstenbehaftete Gleichstrommotor, wie bereits erwähnt, aufgrund der Reibung zwischen den Bürsten und dem Kommutator verschleißanfällig ist. Daher ist es wichtig sicherzustellen, dass es sich bei der Anwendung um eine Anwendung handelt, bei der der Motor während der gesamten Lebensdauer funktionsfähig ist, oder um eine Anwendung, bei der die Wartung des Motors als normal und kostengünstig angesehen wird, wenn bürstenbehaftete Gleichstrommotoren verwendet werden sollen. Ein gutes Beispiel hierfür ist Kinderspielzeug, bei dem das Spielzeug normalerweise weggeworfen oder beschädigt wird, bevor der Motor abgenutzt ist. In Anwendungen mit langer Lebensdauer und Wartung ist der Motor keine praktikable Option. Bürstenlose Gleichstrommotoren sind normalerweise die kluge Option.

Effizienz

Im Allgemeinen haben bürstenlose Gleichstrommotoren im Vergleich zu bürstenbehafteten Gleichstrommotoren einen höheren Gesamtwirkungsgrad, es gab jedoch Fälle von bürstenlosen bürstenlosen Kernmotoren mit überlegenem Wirkungsgrad im Vergleich zu gleichwertigen bürstenlosen Motoren. Es ist jedoch wichtig, den insgesamt erforderlichen Wirkungsgrad zu bewerten und mit dem jedes Motors zu vergleichen, bevor Sie eine Entscheidung treffen. In den meisten Fällen, in denen der Wirkungsgrad der entscheidende Faktor ist, gewinnen bürstenlose Gleichstrommotoren normalerweise.

Steuerung / Betätigung

Dies ist normalerweise einer der größten Rückschläge bei der Verwendung von bürstenlosen Gleichstrommotoren. Die zusätzlichen Anforderungen wie Steuerungen usw. machen die Betätigung komplexer als bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, die so trivial angetrieben / betätigt werden können wie das Anschließen einer Batterie an ihre Klemmen. Sie sollten sicherstellen, dass die Komplexität der Verwendung eines bürstenlosen Gleichstrommotors für das Projekt gerechtfertigt ist und die unterstützende Elektronik wie die Steuerungen sofort verfügbar ist. Unabhängig von der Einfachheit gebürsteter Gleichstrommotoren sind sie manchmal nicht für hochpräzise Anwendungen geeignet. Während ein gebürsteter Gleichstrommotor wie Arduino leicht an den Controller angeschlossen werden kann, ist es sehr komplex, einen BLDC mit Arduino Uno zu verbinden, jedoch mit dem ESC (Electronic Speed ​​Controller)) erleichtert die Schnittstelle eines BLDC mit einem Mikrocontroller.

Kosten

Die Komplexität des Designs bürstenloser Gleichstrommotoren macht sie im Vergleich zu bürstenbehafteten Gleichstrommotoren sehr teuer. Stellen Sie sicher, dass die zusätzlichen Kosten innerhalb der für das Projekt erschwinglichen Grenzen liegen, bevor Sie sich für bürstenlose Gleichstrommotoren entscheiden. Berücksichtigen Sie auch die Kosten für das andere Zubehör, das für die Verwendung von BLDCs erforderlich ist, bevor Sie eine Entscheidung treffen.