I miniatyrvätskekontrollindustrin är borstlösa motorer kärnkraftkällan för vanlig utrustning, inklusive miniatyrvattenpumpar och miniatyrvakuumpumpar. Små magnetventiler samverkar med motorer för att uppnå automatisk flödesreglering. På senare tid har många utrustningsköpare fokuserat på BLDC-prestanda; därför lanserar vi en serialiserad populärvetenskaplig artikel för att packa upp kärnkunskapen om denna högeffektiva motor.
Förstå principerna och tillämpningarna för högeffektiva motorer: Elmotorer omvandlar tillförd elektrisk energi till mekanisk energi. Olika typer av elmotorer används ofta. Bland dem är borstlösa likströmsmotorer (BLDC) mycket effektiva och har utmärkt styrbarhet och används ofta i många applikationer. Jämfört med andra typer av motorer har BLDC-motorer energibesparande fördelar.
Elmotorer är elektriska transmissionsmaskiner.
När ingenjörer står inför utmaningen att designa elektrisk utrustning för att utföra mekaniska uppgifter, kan de överväga hur elektriska signaler omvandlas till energi. Därför är ställdon och motorer bland de enheter som omvandlar elektriska signaler till rörelse. Motorer omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi.
Den enklaste elmotorn är den borstlösa DC-motorn. I denna typ av motor flyter ström genom spolar placerade inom ett fast magnetfält. Ström genererar ett magnetfält i spolarna; detta får spolenheten att rotera när varje spole skjuts bort från sin egen pol och dras mot en pol av det fasta magnetfältet. För att bibehålla rotationen måste strömmen ständigt vändas, vilket gör att spolens polaritet kontinuerligt vänds, vilket resulterar i att spolarna fortsätter att "jaga" polen för det motsatta magnetfältet. Strömmen till spolarna tillförs av fasta ledande borstar som kontaktar den roterande kommutatorn; rotationen av kommutatorn gör att strömmen flyter genom spolarna i motsatt riktning. Kommutatorn och borstarna är nyckelkomponenterna som skiljer borstade DC-motorer från andra motorer.
Figur 1 illustrerar den allmänna principen för en borstad DC-motor.
Figur 1 illustrerar den allmänna principen för en borstad DC-motor.
Figur 1: Drift av en borstad DC-motor.
De fasta borstarna levererar elektrisk energi till den roterande kommutatorn. När kommutatorn roterar, vänder den kontinuerligt riktningen för strömmen som flyter till spolarna, vilket vänder polariteten på spolarna och håller dem roterande åt höger. Kommutatorn roterar eftersom den är kopplad till en rötor som spolarna är monterade på.
Vanliga motortyper
Motorer skiljer sig åt i sin effekttyp (AC eller DC) och metod för att generera rotation (Figur 2). Nedan presenterar vi kortfattat egenskaperna och tillämpningarna för varje typ.
Figur 2: Olika typer av motorer
Borstade likströmsmotorer är enkla i designen, lätta att kontrollera och används ofta för att öppna och stänga skivbrickor. I bilar används de vanligtvis för att dra in, förlänga och placera elektriska sidofönster. Den låga kostnaden för dessa motorer gör dem lämpliga för många applikationer. En nackdel är dock att borstarna och kommutatorn tenderar att slitas relativt snabbt på grund av kontinuerlig kontakt, vilket kräver frekvent byte och regelbundet underhåll.
Stegmotorer drivs av pulser; för varje mottagen puls roterar den med en specifik vinkel (steg). Eftersom rotationsprocessen helt styrs av antalet mottagna pulser, används dessa motorer i stor utsträckning för positionsjustering. De används ofta för att styra pappersmatningsprocessen i faxmaskiner och skrivare – eftersom dessa enheter matar papper i fasta steg, och dessa steg är lätt att korrelera med pulsräkningen. Pausstyrning är också lätt att implementera, eftersom motorrotationen stannar omedelbart när pulssignalen avbryts.
Vid användning av synkronmotorer synkroniseras rotationen med frekvensen på strömförsörjningsströmmen. Dessa motorer används vanligtvis för att driva de roterande brickorna i mikrovågsugnar; reduktionsväxlarna i motorenheten ger lämplig rotationshastighet för att värma mat. Induktionsmotorer, varvtalet varierar med frekvensen, men rörelserna är asynkrona. Tidigare användes dessa motorer ofta i elektriska fläktar och tvättmaskiner.
Det finns olika typer av motorer som ofta används; i det här avsnittet kommer vi att titta på fördelarna och tillämpningarna med borstlösa DC-motorer.
Varför roterar BLDC-motorer?
Som namnet antyder använder inte borstlösa DC-motorer borstar. I borstade motorer överför borstar ström till spolar på rotorn via en kommutator. Så, hur överför en borstlös motor ström till rotorspolarna? Inga – eftersom spolarna inte är placerade på rotorn. Rotorn är en permanentmagnet; spolarna roterar inte utan är fixerade till statorn. Eftersom spolarna inte rör sig behövs inte borstar och en kommutator. (Se figur 3) I borstade motorer uppnås rotation genom att styra magnetfältet som genereras av spolarna på rotorn, medan magnetfältet som genereras av den stationära magneten förblir konstant. För att ändra rotationshastigheten måste spänningen över spolarna ändras. I en BLDC-motor roterar permanentmagneten; rotation uppnås genom att ändra riktningen på det elektromagnetiska fältet som genereras av de omgivande stationära spolarna. För att kontrollera rotationen måste storleken och riktningen på strömmen som flyter in i dessa spolar justeras.
Figur 3: BLDC-motor.
Eftersom rotorn är en permanentmagnet kräver den ingen ström, vilket eliminerar behovet av borstar och kommutatorer. Strömmen till de stationära spolarna styrs externt.
Fördelar med BLDC-motorer
En BLDC-motor med tre spolar på statorn kommer att ha sex ledningar (två för varje spole) som sträcker sig från dessa spolar. I de flesta implementeringar kommer tre av dessa trådar att vara internt anslutna, med de återstående tre sträcker sig från motorkroppen (i motsats till de två trådarna i den borstade motorn som beskrivits tidigare). Kabeldragning i höljet på en BLDC-motor är mer komplex än att bara ansluta de positiva och negativa terminalerna på en strömförsörjningsenhet; vi kommer att undersöka hur dessa motorer fungerar mer i detalj i del II av denna serie. Nedan avslutar vi med att förstå fördelarna med BLDC-motorer.
En betydande fördel är effektiviteten, eftersom dessa motorer kan arbeta kontinuerligt med maximalt vridmoment. Däremot kan borstade motorer endast nå maximalt vridmoment vid vissa rotationspunkter. För att ge samma vridmoment som en borstlös motor kräver borstade motorer större magneter. Det är därför även små BLDC-motorer kan leverera avsevärd effekt.
Den andra stora fördelen med den första är kontrollerbarhet. BLDC-motorer kan styras via återkopplingsmekanismer, som exakt levererar det erforderliga vridmomentet och varvtalet. Exakt styrning minskar i sin tur energiförbrukning och värmealstring, och förlänger batterilivslängden i de fall motorn är batteridriven.
Eftersom det inte finns några borstar erbjuder BLDC-motorer också hög hållbarhet och låg elektrisk brusgenerering. Med borstade motorer slits borstarna och kommutatorn på grund av kontinuerlig rörlig kontakt, vilket genererar gnistor vid kontaktpunkterna. Speciellt elektriskt brus härrör från de starka gnistor som lätt genereras när borstarna passerar genom kommutatorgapet. Det är därför BLDC-motorer generellt anses vara ett bättre val i applikationer där elektriskt brus måste undvikas.
Idealiska tillämpningar av BLDC-motorer
Vi har sett att BLDC-motorer erbjuder hög effektivitet och kontrollerbarhet, och de har lång livslängd. Så vad är deras användningsområden? På grund av sin effektivitet och livslängd används de i stor utsträckning i kontinuerligt arbetande utrustning. De har länge använts i tvättmaskiner, luftkonditioneringsapparater och annan hemelektronik; på senare tid har de också dykt upp i fläktar, där deras höga effektivitet minskar strömförbrukningen avsevärt.
De används också för att köra vakuummaskiner. I ett fall resulterade en förändring i styrprogrammet i ett dramatiskt hastighetssteg - ett exempel på den höga nivån av kontrollerbarhet som dessa motorer erbjuder.
BLDC-motorer används också för att driva hårddiskar; deras hållbarhet gör att frekvensomriktarna fungerar tillförlitligt under längre perioder, samtidigt som deras energieffektivitet hjälper till att minska energiförbrukningen i en allt viktigare sektor.
Mot bredare framtida tillämpningar
Vi kan förvänta oss att BLDC-motorer i framtiden kommer att användas flitigt i ett bredare spektrum av applikationer. Till exempel kan de användas i stor utsträckning för att driva servicerobotar – små robotar som tillhandahåller tjänster inom sektorer utanför tillverkningen. Man kan tycka att stegmotorer är bättre lämpade för denna typ av applikationer, eftersom pulser kan användas för exakt positioneringskontroll. BLDC-motorer är dock bättre lämpade för att styra kraft. Att använda stegmotorer kräver relativt stor och kontinuerlig ström för att bibehålla positionen för strukturer som robotarmar. Med BLDC-motorer är den erforderliga strömmen proportionell mot den externa kraften, vilket resulterar i mer energieffektiv styrning. BLDC-motorer kan också ersätta enkla borstade DC-motorer i golfbilar och mobila fordon. Förutom högre effektivitet erbjuder BLDC-motorer mer exakt styrning – vilket i sin tur kan förlänga batteritiden ytterligare.
BLDC-motorer är också idealiska för drönare. Deras förmåga att ge exakt kontroll gör dem särskilt lämpliga för drönare med flera rotorer, vilket möjliggör exakt kontroll av drönarens attityd genom att styra rotationshastigheten för varje rotor.
