Động cơ có chổi than và động cơ không chổi than: vận hành, cấu tạo và ứng dụng

Động cơ điện đã trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Chúng được tìm thấy trong tất cả các loại thiết bị từ ô tô điện đến máy bay không người lái, rô bốt và các Thiết bị Điện tử khác. Nói một cách tổng quát, Động cơ điện là một thiết bị biến đổi năng lượng điện thành cơ năng. Chúng thường được gọi là đối lập hoàn toàn với máy phát điện vì chúng hoạt động trên các nguyên tắc tương tự và về mặt lý thuyết có thể được chuyển đổi thành máy phát điện. Về cơ bản, chúng được sử dụng trong các tình huống cần chuyển động quay và chúng được ứng dụng trong các thiết bị (động cơ rung), rô bốt, thiết bị y tế, đồ chơi, v.v.

Động cơ điện có thể được phân loại thành hai loại lớn dựa trên loại nguồn điện được sử dụng cho chúng: Động cơ AC và Động cơ DC. Như tên của nó, động cơ xoay chiều được cấp nguồn chung bằng cách sử dụng nguồn điện xoay chiều (một pha hoặc ba pha) và chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và công việc nặng, nơi cần nhiều mô-men xoắn. Mặt khác, động cơ DC (là trọng tâm của chúng ta ngày nay) thường nhỏ hơn và được sử dụng trong các ứng dụng dựa trên pin (hoặc cắm vào nguồn DC), nơi yêu cầu lượng công việc ít hơn đáng kể so với động cơ AC. Họ tìm thấy các ứng dụng trong một số thiết bị khác nhau, từ các thiết bị hàng ngày như tông đơ cạo râu đến đồ chơi cho trẻ em, rô bốt và máy bay không người lái trong số những thiết bị khác.

Yêu cầu đối với động cơ DC khác nhau giữa các ứng dụng, vì một ứng dụng có thể yêu cầu nhiều mô-men xoắn hơn và giảm tốc độ trong khi ứng dụng khác có thể yêu cầu nhiều tốc độ hơn và giảm mô-men xoắn, do đó động cơ DC đôi khi được người bán hàng phân loại dựa trên điều này. Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có thể được phân thành ba loại hoặc loại khác nhau bao gồm;

Động cơ DC chải
Động cơ DC không chổi than
Động cơ Servo.

Đối với Bài viết hôm nay, chúng tôi sẽ tập trung vào động cơ DC không chổi than và động cơ điện một chiều có chổi than, khi chúng tôi xem xét sự khác biệt giữa chúng dọc theo nguyên lý hoạt động, Cấu tạo, ứng dụng, ưu điểm và nhược điểm. Đối với loại thứ ba, bạn có thể xem qua bài viết chi tiết của Servo Motor.

Nguyên lý hoạt động và cấu tạo

Hoạt động của tất cả các động cơ nói chung dựa trên hai nguyên tắc đó là ; Định luật ampe và định luật faraday. Định luật thứ nhất nói rằng một vật dẫn điện đặt trong từ trường sẽ chịu một lực nếu dòng điện chạy qua vật dẫn điện có thành phần vuông góc với trường đó. Các quốc gia Nguyên tắc thứ hai là nếu một dây dẫn được chuyển qua một từ trường, sau đó bất kỳ thành phần của vuông góc với chuyển động đến lĩnh vực đó sẽ tạo ra một sự khác biệt tiềm năng giữa hai đầu dây dẫn.

Dựa trên các định luật này, động cơ điện bao gồm hai phần chính; Một nam châm vĩnh cửu và một chùm dây dẫn quấn thành một cuộn dây. Bằng cách đặt điện vào cuộn dây, nó trở thành một nam châm và dựa trên thực tế là nam châm đẩy nhau ở các cực và hút ở các cực không giống nhau, một chuyển động quay sẽ đạt được.

Động cơ DC chải

Động cơ DC có chổi than được biết đến là một trong những động cơ sớm nhất và đơn giản nhất vì nó thực hiện các luật được mô tả ở trên một cách đơn giản nhất. Như được mô tả trong hình ảnh bên dưới, cấu tạo của động cơ DC có chổi than bao gồm stato cố định được làm bằng nam châm vĩnh cửu và phần ứng chuyển động (Rotor) trên đó các thành phần như cổ góp, chổi than và vòng chia đều được đặt xung quanh động cơ trục.

Khi nguồn điện được cung cấp cho động cơ (qua acquy hoặc qua nguồn AC sang DC được cắm vào nguồn), dòng điện từ nguồn đến phần ứng thông qua chổi than thường nằm ở phía đối diện của trục động cơ. Chổi (có mặt trong thiết kế là yếu tố chính đằng sau tên gọi của động cơ), truyền dòng điện đến phần ứng thông qua tiếp xúc vật lý với cổ góp. Ngay sau khi phần ứng (cuộn dây) được cung cấp năng lượng, nó bắt đầu hoạt động giống như một nam châm và tại thời điểm đó các cực của nó bắt đầu đẩy các cực của nam châm vĩnh cửu tạo nên stato. Khi các cực đẩy nhau, trục động cơ mà phần ứng được gắn vào bắt đầu quay với tốc độ và mômen quay phụ thuộc vào cường độ của từ trường xung quanh phần ứng.

Cường độ của từ trường thường là hàm của điện áp đặt tại chổi than và cường độ của nam châm vĩnh cửu dùng cho stato.

Động cơ DC không chổi than

Mặc dù chúng sử dụng cùng một nguyên tắc điện từ, nhưng mặt khác, động cơ không chổi than lại phức tạp hơn. Chúng là kết quả trực tiếp của những nỗ lực được thực hiện để cải thiện hiệu suất của động cơ DC có chổi than và có thể được mô tả đơn giản là động cơ không sử dụng chổi than để chuyển mạch. Tuy nhiên, bản chất đơn giản của mô tả đó đã nhường chỗ cho các câu hỏi về cách động cơ được cấp nguồn và cách đạt được chuyển động mà không cần chổi mà tôi sẽ cố gắng giải thích.

Trái ngược với cấu tạo của động cơ có chổi than, Trong động cơ không chổi than, mọi thứ được đảo lộn. Phần ứng trong trường hợp của động cơ có chổi than, quay trong stato, đứng yên trong động cơ không chổi than và nam châm vĩnh cửu, trong động cơ có chổi than được cố định, đóng vai trò như rôto trong động cơ không chổi than. Nói một cách đơn giản, stato của động cơ điện một chiều không chổi than được tạo thành từ các cuộn dây trong khi rôto của nó (mà trục động cơ được gắn vào) được tạo thành từ nam châm vĩnh cửu.

Vì động cơ không chổi than loại bỏ việc sử dụng chổi than để cung cấp năng lượng cho phần ứng, nên việc chuyển mạch (hoán vị) trở nên phức tạp hơn và được thực hiện bằng điện tử bằng cách sử dụng bộ linh kiện điện tử bổ sung (như bộ khuếch đại được kích hoạt bởi thành phần chuyển mạch như bộ mã hóa quang học) để đạt được chuyển động. Các thuật toán giao hoán cho động cơ DC không chổi than có thể được chia thành hai; Dựa trên cảm biến và giao hoán vô tri.

Trong chuyển mạch dựa trên cảm biến, các cảm biến (ví dụ cảm biến Hall) được đặt dọc theo các cực của động cơ để cung cấp phản hồi cho mạch điều khiển để giúp nó ước tính vị trí rôto. Có ba thuật toán phổ biến được sử dụng để chuyển đổi dựa trên cảm biến;

Giao hoán hình thang
Giao hoán hình sin
Điều khiển vectơ (hoặc hướng trường).

Mỗi thuật toán điều khiển này đều có ưu và nhược điểm của nó và các thuật toán có thể được thực hiện theo những cách khác nhau tùy thuộc vào phần mềm và thiết kế của phần cứng điện tử để thực hiện những thay đổi cần thiết.

Mặt khác, trong trường hợp giao hoán không cảm biến, thay vì đặt các cảm biến bên trong động cơ, mạch điều khiển được thiết kế để đo EMF phía sau để ước tính vị trí rôto.

Thuật toán này hoạt động khá tốt và giảm chi phí do chi phí của cảm biến hội trường được loại bỏ nhưng việc triển khai nó phức tạp hơn rất nhiều so với thuật toán dựa trên cảm biến.

Ưu điểm và nhược điểm

Trong động cơ điện một chiều có chổi than, chổi than tiếp xúc thường xuyên với cổ góp quay. Điều này dẫn đến một lượng ma sát đáng kể được tạo ra và điều này dẫn đến việc mất năng lượng để tỏa nhiệt và làm mòn dần chổi than. Do đó, động cơ DC có chổi than có hiệu suất thấp và cần được bảo dưỡng định kỳ. Điều này tạo ra rất nhiều ma sát, và ma sát tương đương với nhiệt (mất năng lượng) và hao mòn. Mặt khác, DC không chổi than về cơ bản không có ma sát và do đó có hiệu suất thực sự cao, không cần bảo dưỡng và tuổi thọ lâu hơn động cơ DC có chổi than.

Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có chổi than rất rẻ so với động cơ không chổi than do bản chất thiết kế đơn giản của chúng. Mặt khác, động cơ DC không chổi than khá đắt do thiết kế phức tạp và chi phí bổ sung của các thành phần điện tử bổ sung (bộ điều khiển) cần thiết để điều khiển chúng.

Các ứng dụng

Mặc dù động cơ DC không chổi than ngày nay phổ biến hơn, nhưng động cơ DC chổi than vẫn được sử dụng hàng ngày trong các thiết bị gia dụng, đồ chơi trẻ em và trong các ứng dụng công nghiệp do tỷ lệ tốc độ trên mô-men xoắn của chúng có thể thay đổi dễ dàng. Do giá thành rẻ, chúng được sử dụng trong các ứng dụng mà thiết bị chủ có thể bị lỗi trước động cơ.

Mặt khác, động cơ DC không chổi than đã được ứng dụng trong tất cả các loại thiết bị, từ thiết bị y tế, robot và máy bay không người lái đến ô tô điện, công cụ điện, v.v. Chúng về cơ bản được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao, tuổi thọ và đáng giá tiền.

Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn giữa Động cơ DC không chổi than và có chổi than

Bên cạnh tốc độ, mô-men xoắn, xếp hạng công suất và các yêu cầu cơ bản khác cho ứng dụng của bạn dưới đây là ba yếu tố tôi cảm thấy cũng có thể tốt để xem xét khi đưa ra quyết định về loại động cơ để triển khai cho ứng dụng của bạn.

Chu kỳ nhiệm vụ / Tuổi thọ dịch vụ
Hiệu quả
Kiểm soát / Hành động
Giá cả

Chu kỳ nhiệm vụ / Tuổi thọ dịch vụ

Tuổi thọ sử dụng mô tả thời gian động cơ cần hoạt động trước khi hỏng và ở chu kỳ làm việc nào. Điều này rất quan trọng vì động cơ DC có chổi than như đã đề cập trước đó dễ bị mòn do ma sát giữa chổi than và Cổ góp. Do đó, điều quan trọng là phải đảm bảo ứng dụng là ứng dụng trong đó động cơ sẽ hoạt động trong suốt vòng đời sử dụng hoặc ứng dụng mà việc bảo dưỡng động cơ sẽ được coi là bình thường và không tốn kém nếu sử dụng động cơ DC có chổi than. Một ví dụ điển hình về điều này là trong đồ chơi trẻ em, nơi đồ chơi thường bị vứt bỏ hoặc làm hỏng trước khi động cơ bị mòn. Trong các ứng dụng có tuổi thọ dài và việc bảo dưỡng động cơ không phải là một lựa chọn khả thi, động cơ DC không chổi than thường là lựa chọn khôn ngoan.

Hiệu quả

Nói chung, động cơ DC không chổi than có hiệu suất tổng thể cao hơn so với động cơ DC có chổi than nhưng đã có trường hợp động cơ chổi than không lõi sắt có hiệu suất cao hơn so với động cơ không chổi than tương đương. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải đánh giá hiệu quả yêu cầu tổng thể và so sánh với hiệu suất của từng động cơ trước khi đưa ra quyết định. Trong hầu hết các trường hợp khi hiệu suất là yếu tố quyết định, động cơ DC không chổi than thường giành chiến thắng.

Kiểm soát / Hành động

Đây thường là một trong những trở ngại lớn khi nói đến việc sử dụng động cơ DC không chổi than. Các yêu cầu bổ sung như bộ điều khiển, v.v., làm cho việc truyền động trở nên phức tạp hơn so với động cơ DC có chổi than vốn có thể được cấp nguồn / kích hoạt bằng các phương pháp đơn giản như kết nối pin qua các đầu cuối của nó. Bạn nên đảm bảo mức độ phức tạp liên quan đến việc sử dụng động cơ DC không chổi than cho dự án là hợp lý và các thiết bị điện tử hỗ trợ như bộ điều khiển luôn sẵn sàng. Bất kể sự đơn giản của động cơ DC có chổi than, chúng đôi khi không thích hợp cho các ứng dụng có độ chính xác cao. Mặc dù động cơ DC Brushed có thể dễ dàng kết nối với bộ điều khiển như Arduino, nhưng việc kết nối BLDC với Arduino Uno lại phức tạp hơn nhiều, tuy nhiên ESC (Bộ điều khiển tốc độ điện tử) giúp giao tiếp BLDC với vi điều khiển dễ dàng hơn.

Giá cả

Sự phức tạp trong thiết kế của động cơ DC không chổi than khiến chúng thực sự đắt tiền khi so sánh với động cơ DC có chổi than. Hãy chắc chắn rằng các chi phí bổ sung nằm trong giới hạn hợp lý cho dự án trước khi sử dụng động cơ DC không chổi than. Cũng nên xem xét chi phí của các phụ kiện khác cần thiết cho việc sử dụng BLDC trước khi đưa ra quyết định.