Motors raspallats vs motors sense escombretes: funcionament, construcció i aplicacions

Els motors elèctrics s’han convertit en una gran part de la nostra vida. Es troben en tot tipus de dispositius, des de cotxes elèctrics fins a drons, robots i altres dispositius electrònics. En termes generals, un motor elèctric és un dispositiu que converteix l’energia elèctrica en energia mecànica. Normalment se'ls denomina exactament el contrari dels generadors, ja que funcionen sobre principis similars i teòricament es poden convertir en generadors. Es fan servir bàsicament en situacions en què es necessita un moviment de rotació i troben aplicacions en aparells (motors de vibració), robots, equips mèdics, joguines i molt més.

Els motors elèctrics es poden classificar en dues grans categories segons el tipus de font d'energia que s'utilitza per a ells: motors de corrent altern i motors de corrent continu. Com el seu nom indica, els motors de corrent altern s’alimenten de manera genèrica mitjançant fonts d’alimentació de corrent altern (monofàsic o trifàsic) i s’utilitzen principalment en aplicacions industrials i pesades on es requereix molt parell. Els motors de corrent continu (que són el nostre focus d’avui), en canvi, solen ser més petits i s’utilitzen en aplicacions basades en bateries (o connectades a fonts de corrent continu) on es requereix una quantitat de treball significativament menor en comparació amb els motors de corrent altern. Troben aplicacions en diversos dispositius, que van des de dispositius quotidians com talladores d’afaitar fins a joguines per a nens, robots i drons, entre d’altres.

El requisit dels motors de CC difereix d’una aplicació a l’altra, ja que una aplicació pot requerir més parell i reduir la velocitat, mentre que una altra pot requerir més velocitat i un parell reduït, de manera que els motors de CC de vegades es classifiquen en funció de les vendes. No obstant això, els motors de corrent continu es poden classificar en tres categories o tipus diferents, inclosos;

1. Motor CC raspallat
2. Motors de corrent continu sense escombretes
3. Servomotors.

Per a l'article d'avui, ens centrarem en els motors CC sense escombretes i sense escombretes, ja que examinem la diferència entre ells seguint les línies de principi d'operacions, construcció, aplicacions, avantatges i desavantatges. Per al tercer tipus, podeu consultar l'article detallat de Servomotor.

Principi de funcionament i construcció

El funcionament de tots els motors es basa generalment en dos principis que són ; Llei dels Amperes i llei de Faraday. La primera llei estableix que un conductor elèctric col·locat en un camp magnètic experimentarà una força si qualsevol corrent que flueix a través del conductor té un component en angle recte amb aquest camp. El segon principi estableix que si un conductor es mou a través d’un camp magnètic, llavors qualsevol component de moviment perpendicular a aquest camp generarà una diferència de potencial entre els extrems del conductor.

Basant-se en aquestes lleis, els motors elèctrics consten de dues parts principals; Un imant permanent i un munt de conductors enrotllats en una bobina. En aplicar electricitat a la bobina es converteix en un imant i, basat en el fet que els imants es repel·leixen a pols similars i s’atrauen a pols diferents, s’aconsegueix un moviment de rotació.

Motor CC raspallat

Se sap que el motor de corrent continu raspallat és un dels motors més antics i senzills, ja que implementa les lleis descrites anteriorment de la manera més senzilla. Tal com es descriu a la imatge següent, la construcció d’un motor de corrent continu comprèn un estator fix format per un imant permanent i una armadura mòbil (rotor) sobre els quals es col·loquen components com el commutador, els raspalls i l’anell dividit al voltant del motor eix.

Quan s’alimenta el motor (a través de la bateria o a través d’una font de CA a CC endollada), l’electricitat flueix des de la font fins a l’armat a través dels raspalls que se solen situar als costats oposats de l’eix del motor. Les escombretes (la presència del qual en el disseny és un factor important darrere del nom del motor), transfereixen corrent elèctric a la armadura a través del contacte físic amb el commutador. Tan bon punt l’armat (la bobina de filferro) s’energia, comença a comportar-se com un imant i en aquest punt els seus pols comencen a repel·lir els pols de l’imant permanent que constitueix l’estator. A mesura que els pols es repel·leixen, l'eix del motor al qual s'uneix l'armat comença a girar amb una velocitat i un parell que depèn de la força del camp magnètic al voltant de l'armat.

La intensitat del camp magnètic sol ser una funció de la tensió aplicada als pinzells i de la força de l’imant permanent utilitzat per l’estator.

Motors de corrent continu sense escombretes

Tot i que utilitzen el mateix principi d’electromagnetisme, els motors sense escombretes, en canvi, són més complexos. Són el resultat directe dels esforços fets per millorar l’eficiència dels motors de corrent continu i es poden descriure simplement com a motors que no adopten l’ús de raspalls per a la commutació. No obstant això, la naturalesa simplista d’aquesta descripció dóna pas a preguntes sobre com s’alimenta el motor i com s’aconsegueix el moviment sense raspalls que intentaré explicar.

Contràriament a la construcció dels motors raspallats, en els motors sense escombretes les coses es donen la volta. L'armadura que, en el cas del motor raspallat, gira dins de l'estator, és fixa en motors sense escombretes i l'imant permanent, que en motors raspallats és fix, serveix de rotor en un motor sense escombretes. En poques paraules, l’estator dels motors de corrent continu sense escombretes està format per bobines mentre que el seu rotor (al qual s’uneix l’eix del motor) està format per un imant permanent.

Com que el motor sense escombretes elimina l'ús de pinzells per proporcionar energia a l'armadura, la commutació (commutació) es fa més complexa i es realitza electrònicament mitjançant un conjunt addicional de components electrònics (com un amplificador activat per un component commutador com un codificador òptic) per aconseguir el moviment. Els algorismes de commutació per a motors CC sense escombretes es poden dividir en dos; Commutació basada en el sensor i sense sentit.

En la commutació basada en el sensor, els sensors (per exemple, el sensor de sala) es col·loquen al llarg dels pols del motor per proporcionar retroalimentació als circuits de control per ajudar-lo a estimar la posició del rotor. Hi ha tres algorismes populars emprats per a la commutació basada en el sensor;

1. Commutació trapezoïdal
2. Commutació sinusoïdal
3. Control vectorial (o orientat al camp).

Cadascun d'aquests algorismes de control té els seus avantatges i desavantatges i els algorismes es poden implementar de diferents maneres, depenent del programari i del disseny del maquinari electrònic per fer els canvis necessaris.

En canvi, en commutació sense sensors, en lloc de col·locar-se sensors dins dels motors, els circuits de control estan dissenyats per mesurar la CEM posterior per estimar la posició del rotor.

Aquest algorisme té un bon rendiment i té un cost reduït ja que s’elimina el cost dels sensors de sala, però la seva implementació és molt més complexa en comparació amb els algorismes basats en el sensor.

Avantatges i desavantatges

En motors de corrent continu, els escombretes estan en contacte constant amb el commutador giratori. Això fa que es generi una quantitat considerable de fricció, que al seu torn condueix a la pèrdua d'energia per calor i al desgast gradual dels raspalls. Per tant, els motors de corrent continu tenen una eficiència baixa i requereixen un manteniment periòdic. Això crea molta fricció i la fricció és igual a la calor (pèrdua d’energia) i al desgast. Les CC sense escombretes, en canvi, són essencialment sense fricció i, per tant, tenen una eficiència realment elevada, requereixen un manteniment nul i duren més que els motors de corrent continu.

No obstant això, els motors de corrent continu són molt barats en comparació amb els seus homòlegs sense escombretes a causa de la senzillesa del seu disseny. Els motors de corrent continu sense escombretes són bastant cars a causa del seu disseny complex i del cost addicional dels components electrònics (controladors) addicionals necessaris per accionar-los.

Aplicacions

Tot i que els motors de corrent continu sense escombretes són més populars actualment, els motors de corrent continu es fan servir en electrodomèstics quotidians, joguines per a nens i en aplicacions industrials a causa de la facilitat amb què es pot variar la relació velocitat / parell. A causa del seu baix cost, s'utilitzen en aplicacions on el dispositiu amfitrió podria fallar abans que els motors.

Els motors de corrent continu sense escombretes, d’altra banda, han trobat aplicacions en tot tipus de dispositius, des d’equips mèdics, robots i drons fins a cotxes elèctrics, eines elèctriques, etc. S’utilitzen bàsicament en aplicacions que requereixen una alta eficiència, longevitat i val la pena.

Factors que cal tenir en compte a l’hora de seleccionar entre els motors DC brushless i brushless

A banda de la velocitat, el parell, la potència nominal i altres requisits bàsics per a la vostra aplicació, hi ha tres factors que crec que també podríeu considerar bé a l’hora de prendre una decisió sobre el tipus de motor que voleu desplegar per a la vostra aplicació.

1. Cicle de servei / vida útil
2. Eficiència
3. Control / Actuació
4. Cost

Cicle de servei / vida útil

La vida útil descriu quant de temps ha de funcionar el motor abans de fallar i en quin cicle de treball. Això és important perquè el motor de corrent continu com esmentat anteriorment és susceptible de desgast a causa de la fricció entre els raspalls i el commutador. Per tant, és important assegurar-se que l’aplicació sigui funcional en què el motor estigui funcional durant tota la vida útil o una aplicació en què el manteniment del motor es consideri normal i econòmic si s’utilitzen motors de corrent continu. Un bon exemple d'això es troba en les joguines per a nens, on les joguines solen llençar-se o danyar-se abans que es desgasti el motor. En aplicacions amb una llarga vida útil i el manteniment del motor no és una opció viable, els motors de corrent continu sense escombretes solen ser l’opció més adequada.

Eficiència

En general, els motors de corrent continu sense escombretes tenen una eficiència general més alta en comparació amb els motors de corrent continu, però hi ha hagut casos de motors raspallats de nucli sense ferro amb una eficiència superior en comparació amb motors sense escombretes equivalents. Tot i això, és important avaluar l’eficiència global requerida i comparar-la amb la de cada motor abans de prendre una decisió. En la majoria dels casos en què l'eficiència és el factor decisiu, els motors de corrent continu sense escombretes solen guanyar.

Control / Actuació

Aquest sol ser un dels majors contratemps pel que fa a l’ús de motors de corrent continu sense escombretes. Els requisits addicionals, com ara els controladors, etc., fan que l'actuació sigui més complexa en comparació amb els motors de corrent continu que podrien alimentar-se / accionar mètodes tan trivials com connectar una bateria a través dels seus terminals. Heu d'assegurar-vos que la complexitat de l'ús d'un motor de corrent continu sense escombretes per al projecte està justificada i que l'electrònica de suport, com els controladors, està fàcilment disponible. Independentment de la simplicitat dels motors de corrent continu, de vegades no són adequats per a aplicacions d’alta precisió. Tot i que el motor CC raspallat es pot connectar fàcilment al controlador com Arduino, és molt complex connectar un BLDC amb Arduino Uno, però l’ESC (Electronic Speed ​​Controller)) facilita la interfície d'un BLDC amb un microcontrolador.

Cost

La complexitat del disseny dels motors de corrent continu sense escombretes els fa realment cars en comparació amb els motors de corrent continu. Assegureu-vos que els costos addicionals es troben dins dels límits assequibles per al projecte abans d’anar amb motors de corrent continu sense escombretes. Penseu també en el cost dels altres accessoris necessaris per a l’ús de BLDC abans de prendre una decisió.