Στη βιομηχανία μικροσκοπικού ελέγχου υγρών, οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες είναι η βασική πηγή ενέργειας για τον κύριο εξοπλισμό, συμπεριλαμβανομένων των μικροσκοπικών αντλιών νερού και των μικροσκοπικών αντλιών κενού. Οι μικρές ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες συνεργάζονται με τους κινητήρες για την επίτευξη αυτόματης ρύθμισης ροής. Πρόσφατα, πολλοί αγοραστές εξοπλισμού έχουν επικεντρωθεί στην απόδοση BLDC. Ως εκ τούτου, δημοσιεύουμε ένα σειριακό άρθρο δημοφιλούς επιστήμης για να αποσυμπιέσουμε τις βασικές γνώσεις αυτού του κινητήρα υψηλής απόδοσης.
Κατανόηση των αρχών και των εφαρμογών των κινητήρων υψηλής απόδοσης: Οι ηλεκτρικοί κινητήρες μετατρέπουν την παρεχόμενη ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική. Διάφοροι τύποι ηλεκτροκινητήρων χρησιμοποιούνται ευρέως. Μεταξύ αυτών, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες (BLDC) είναι ιδιαίτερα αποδοτικοί και έχουν εξαιρετική δυνατότητα ελέγχου και χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές εφαρμογές. Σε σύγκριση με άλλους τύπους κινητήρων, οι κινητήρες BLDC έχουν πλεονεκτήματα εξοικονόμησης ενέργειας.
Οι ηλεκτρικοί κινητήρες είναι μηχανές ηλεκτρικής μετάδοσης.
Όταν οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν την πρόκληση του σχεδιασμού ηλεκτρικού εξοπλισμού για την εκτέλεση μηχανικών εργασιών, μπορεί να εξετάσουν πώς τα ηλεκτρικά σήματα μετατρέπονται σε ενέργεια. Επομένως, οι ενεργοποιητές και οι κινητήρες είναι μεταξύ των συσκευών που μετατρέπουν τα ηλεκτρικά σήματα σε κίνηση. Οι κινητήρες μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική.
Ο απλούστερος ηλεκτροκινητήρας είναι ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες. Σε αυτόν τον τύπο κινητήρα, το ρεύμα ρέει μέσω πηνίων που βρίσκονται μέσα σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο. Το ρεύμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στα πηνία. Αυτό προκαλεί την περιστροφή του συγκροτήματος πηνίου καθώς κάθε πηνίο ωθείται μακριά από τον δικό του πόλο και έλκεται προς έναν πόλο του σταθερού μαγνητικού πεδίου. Για να διατηρηθεί η περιστροφή, το ρεύμα πρέπει να αντιστρέφεται συνεχώς, με αποτέλεσμα η πολικότητα του πηνίου να αντιστρέφεται συνεχώς, με αποτέλεσμα τα πηνία να συνεχίζουν να «κυνηγούν» τον πόλο του αντίθετου μαγνητικού πεδίου. Η ισχύς στα πηνία παρέχεται από σταθερές αγώγιμες βούρτσες που έρχονται σε επαφή με τον περιστρεφόμενο μεταγωγέα. η περιστροφή του μεταγωγέα προκαλεί το ρεύμα να ρέει μέσω των πηνίων προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ο μεταγωγέας και οι βούρτσες είναι τα βασικά εξαρτήματα που διακρίνουν τους βουρτσισμένους κινητήρες συνεχούς ρεύματος από άλλους κινητήρες.
Το σχήμα 1 απεικονίζει τη γενική αρχή ενός βουρτσισμένου κινητήρα συνεχούς ρεύματος.
Το σχήμα 1 απεικονίζει τη γενική αρχή ενός βουρτσισμένου κινητήρα συνεχούς ρεύματος.
Εικόνα 1: Λειτουργία κινητήρα συνεχούς ρεύματος με βούρτσα.
Οι σταθερές βούρτσες παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια στον περιστρεφόμενο μεταγωγέα. Καθώς ο μεταγωγέας περιστρέφεται, αντιστρέφει συνεχώς την κατεύθυνση του ρεύματος που ρέει προς τα πηνία, αντιστρέφοντας έτσι την πολικότητα των πηνίων και διατηρώντας τα να περιστρέφονται προς τα δεξιά. Ο μεταγωγέας περιστρέφεται επειδή είναι συνδεδεμένος με έναν ρότορα στον οποίο είναι τοποθετημένα τα πηνία.
Κοινοί τύποι κινητήρων
Οι κινητήρες διαφέρουν ως προς τον τύπο ισχύος τους (AC ή DC) και τη μέθοδο παραγωγής περιστροφής (Εικόνα 2). Παρακάτω, παρουσιάζουμε συνοπτικά τα χαρακτηριστικά και τις εφαρμογές κάθε τύπου.
Εικόνα 2: Διαφορετικοί τύποι κινητήρων
Οι βουρτσισμένοι κινητήρες DC είναι απλοί στο σχεδιασμό, εύκολοι στον έλεγχο και χρησιμοποιούνται ευρέως για το άνοιγμα και το κλείσιμο δίσκων. Στα αυτοκίνητα, χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανάσυρση, την επέκταση και την τοποθέτηση ηλεκτρικών πλαϊνών παραθύρων. Το χαμηλό κόστος αυτών των κινητήρων τους καθιστά κατάλληλους για πολλές εφαρμογές. Ωστόσο, ένα μειονέκτημα είναι ότι οι βούρτσες και ο μεταγωγέας τείνουν να φθείρονται σχετικά γρήγορα λόγω συνεχούς επαφής, απαιτώντας συχνή αντικατάσταση και τακτική συντήρηση.
Οι βηματικοί κινητήρες κινούνται με παλμούς. για κάθε παλμό που λαμβάνεται, περιστρέφεται κατά μια συγκεκριμένη γωνία (βήματα). Επειδή η διαδικασία περιστροφής ελέγχεται πλήρως από τον αριθμό των παλμών που λαμβάνονται, αυτοί οι κινητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως για ρύθμιση θέσης. Συχνά χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της διαδικασίας τροφοδοσίας χαρτιού σε μηχανές φαξ και εκτυπωτές—επειδή αυτές οι συσκευές τροφοδοτούν χαρτί σε σταθερά βήματα και αυτά τα βήματα συσχετίζονται εύκολα με τον αριθμό παλμών. Ο έλεγχος παύσης είναι επίσης εύκολος στην εφαρμογή, καθώς η περιστροφή του κινητήρα σταματά αμέσως όταν διακόπτεται το σήμα παλμού.
Όταν χρησιμοποιείτε σύγχρονους κινητήρες, η περιστροφή συγχρονίζεται με τη συχνότητα του ρεύματος τροφοδοσίας. Αυτοί οι κινητήρες χρησιμοποιούνται συνήθως για την κίνηση των περιστρεφόμενων δίσκων σε φούρνους μικροκυμάτων. οι μειωτήρες στη μονάδα κινητήρα παρέχουν την κατάλληλη ταχύτητα περιστροφής για τη θέρμανση των τροφίμων. Οι επαγωγικοί κινητήρες, η ταχύτητα περιστροφής ποικίλλει ανάλογα με τη συχνότητα, αλλά οι κινήσεις είναι ασύγχρονες. Στο παρελθόν, αυτοί οι κινητήρες χρησιμοποιούνταν συνήθως σε ηλεκτρικούς ανεμιστήρες και πλυντήρια ρούχων.
Υπάρχουν διάφοροι τύποι κινητήρων που χρησιμοποιούνται συνήθως. Σε αυτήν την ενότητα, θα εξετάσουμε τα πλεονεκτήματα και τις εφαρμογές των κινητήρων συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες.
Γιατί περιστρέφονται οι κινητήρες BLDC;
Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες δεν χρησιμοποιούν βούρτσες. Στους βουρτσισμένους κινητήρες, οι βούρτσες μεταφέρουν ρεύμα σε πηνία στον ρότορα μέσω ενός μεταγωγέα. Λοιπόν, πώς ένας κινητήρας χωρίς ψήκτρες μεταφέρει ρεύμα στα πηνία του ρότορα; Κανένα—επειδή τα πηνία δεν βρίσκονται στον ρότορα. Ο ρότορας είναι ένας μόνιμος μαγνήτης. τα πηνία δεν περιστρέφονται αλλά στερεώνονται στον στάτορα. Επειδή τα πηνία δεν κινούνται, δεν χρειάζονται βούρτσες και μεταγωγέας. (Βλ. Εικόνα 3) Στους κινητήρες με βούρτσα, η περιστροφή επιτυγχάνεται ελέγχοντας το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τα πηνία στον ρότορα, ενώ το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τον ακίνητο μαγνήτη παραμένει σταθερό. Για να αλλάξετε την ταχύτητα περιστροφής, πρέπει να αλλάξει η τάση στα πηνία. Σε έναν κινητήρα BLDC, ο μόνιμος μαγνήτης περιστρέφεται. η περιστροφή επιτυγχάνεται αλλάζοντας την κατεύθυνση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από τα γύρω ακίνητα πηνία. Για τον έλεγχο της περιστροφής, το μέγεθος και η κατεύθυνση του ρεύματος που ρέει σε αυτά τα πηνία πρέπει να ρυθμιστούν.
Εικόνα 3: Μοτέρ BLDC.
Δεδομένου ότι ο ρότορας είναι μόνιμος μαγνήτης, δεν απαιτεί ρεύμα, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για βούρτσες και μεταγωγείς. Το ρεύμα προς τα ακίνητα πηνία ελέγχεται εξωτερικά.
Πλεονεκτήματα των κινητήρων BLDC
Ένας κινητήρας BLDC με τρία πηνία στον στάτορα θα έχει έξι καλώδια (δύο για κάθε πηνίο) που εκτείνονται από αυτά τα πηνία. Στις περισσότερες εφαρμογές, τρία από αυτά τα καλώδια θα συνδέονται εσωτερικά, με τα υπόλοιπα τρία να εκτείνονται από το σώμα του κινητήρα (σε αντίθεση με τα δύο καλώδια του βουρτσισμένου κινητήρα που περιγράφηκαν προηγουμένως). Η καλωδίωση μέσα στο περίβλημα ενός κινητήρα BLDC είναι πιο περίπλοκη από την απλή σύνδεση των θετικών και αρνητικών ακροδεκτών μιας μονάδας τροφοδοσίας. θα εξετάσουμε τη λειτουργία αυτών των κινητήρων με περισσότερες λεπτομέρειες στο Μέρος II αυτής της σειράς. Παρακάτω, καταλήγουμε κατανοώντας τα πλεονεκτήματα των κινητήρων BLDC.
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα είναι η απόδοση, καθώς αυτοί οι κινητήρες μπορούν να λειτουργούν συνεχώς με τη μέγιστη ροπή. Αντίθετα, οι βουρτσισμένοι κινητήρες μπορούν να φτάσουν τη μέγιστη ροπή μόνο σε ορισμένα σημεία περιστροφής. Για να παρέχουν την ίδια ροπή στρέψης με έναν κινητήρα χωρίς ψήκτρες, οι βουρτσισμένοι κινητήρες απαιτούν μεγαλύτερους μαγνήτες. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ακόμη και οι μικροί κινητήρες BLDC μπορούν να προσφέρουν σημαντική ισχύ.
Το δεύτερο σημαντικό πλεονέκτημα που σχετίζεται με το πρώτο είναι η δυνατότητα ελέγχου. Οι κινητήρες BLDC μπορούν να ελεγχθούν μέσω μηχανισμών ανάδρασης, παρέχοντας με ακρίβεια την απαιτούμενη ροπή και ταχύτητα. Ο ακριβής έλεγχος, με τη σειρά του, μειώνει την κατανάλωση ενέργειας και την παραγωγή θερμότητας και —σε περιπτώσεις όπου ο κινητήρας τροφοδοτείται από μπαταρία— παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Επειδή δεν υπάρχουν βούρτσες, οι κινητήρες BLDC προσφέρουν επίσης υψηλή αντοχή και χαμηλή παραγωγή ηλεκτρικού θορύβου. Με βουρτσισμένους κινητήρες, οι βούρτσες και ο μεταγωγέας φθείρονται λόγω συνεχούς κινούμενης επαφής, δημιουργώντας σπινθήρες στα σημεία επαφής. Ο ηλεκτρικός θόρυβος, ειδικότερα, προκύπτει από τους ισχυρούς σπινθήρες που δημιουργούνται εύκολα καθώς οι βούρτσες περνούν μέσα από το διάκενο του μεταγωγέα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι κινητήρες BLDC θεωρούνται γενικά καλύτερη επιλογή σε εφαρμογές όπου πρέπει να αποφεύγεται ο ηλεκτρικός θόρυβος.
Ιδανικές εφαρμογές των κινητήρων BLDC
Έχουμε δει ότι οι κινητήρες BLDC προσφέρουν υψηλή απόδοση και δυνατότητα ελέγχου και έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής. Ποιες είναι λοιπόν οι χρήσεις τους; Λόγω της αποτελεσματικότητας και της διάρκειας ζωής τους, χρησιμοποιούνται ευρέως σε εξοπλισμό συνεχούς λειτουργίας. Έχουν χρησιμοποιηθεί από καιρό σε πλυντήρια ρούχων, κλιματιστικά και άλλα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. πιο πρόσφατα, εμφανίστηκαν και σε ανεμιστήρες, όπου η υψηλή απόδοση τους μειώνει σημαντικά την κατανάλωση ρεύματος.
Χρησιμοποιούνται επίσης για την οδήγηση μηχανών κενού. Σε μια περίπτωση, μια αλλαγή στο πρόγραμμα ελέγχου είχε ως αποτέλεσμα ένα δραματικό άλμα στην ταχύτητα - ένα παράδειγμα του υψηλού επιπέδου ελέγχου που προσφέρουν αυτοί οι κινητήρες.
Οι κινητήρες BLDC χρησιμοποιούνται επίσης για την οδήγηση μονάδων σκληρού δίσκου. Η ανθεκτικότητά τους επιτρέπει στους ηλεκτροκινητήρες να λειτουργούν αξιόπιστα για παρατεταμένες περιόδους, ενώ η απόδοση ισχύος τους βοηθά στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας σε έναν όλο και πιο σημαντικό τομέα.
Προς Ευρύτερες Μελλοντικές Εφαρμογές
Μπορούμε να περιμένουμε ότι στο μέλλον, οι κινητήρες BLDC θα χρησιμοποιούνται ευρέως σε ένα ευρύτερο φάσμα εφαρμογών. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιούνται ευρέως για την οδήγηση ρομπότ εξυπηρέτησης—μικρών ρομπότ που παρέχουν υπηρεσίες σε τομείς εκτός της κατασκευής. Θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί ότι οι βηματικοί κινητήρες είναι πιο κατάλληλοι για αυτόν τον τύπο εφαρμογής, καθώς οι παλμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ακριβή έλεγχο θέσης. Ωστόσο, οι κινητήρες BLDC είναι πιο κατάλληλοι για τον έλεγχο της δύναμης. Χρησιμοποιώντας βηματικούς κινητήρες, η διατήρηση της θέσης δομών όπως οι βραχίονες ρομπότ απαιτεί σχετικά μεγάλο και συνεχές ρεύμα. Με τους κινητήρες BLDC, το απαιτούμενο ρεύμα είναι ανάλογο της εξωτερικής δύναμης, με αποτέλεσμα τον πιο ενεργειακά αποδοτικό έλεγχο. Οι κινητήρες BLDC μπορούν επίσης να αντικαταστήσουν τους απλούς κινητήρες συνεχούς ρεύματος με βούρτσα σε καρότσια γκολφ και κινητά οχήματα. Εκτός από την υψηλότερη απόδοση, οι κινητήρες BLDC προσφέρουν πιο ακριβή έλεγχο – ο οποίος με τη σειρά του μπορεί να παρατείνει περαιτέρω τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Οι κινητήρες BLDC είναι επίσης ιδανικοί για drones. Η ικανότητά τους να παρέχουν ακριβή έλεγχο τα καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλα για drones με πολλαπλούς ρότορες, επιτρέποντας τον ακριβή έλεγχο της στάσης του drone ελέγχοντας την ταχύτητα περιστροφής κάθε ρότορα.
