Kartáčované vs. bezkomutátorové stejnosměrné motory: Účinnost, výběr a použití

Kartáčovaný stejnosměrný motor vs bezkomutátorový stejnosměrný motor

Hlavním rozdílem je způsob spínání proudu: kartáčové motory používají fyzické kartáče a mechanický komutátor, zatímco bezkomutátorové motory používají elektronický ovladač a snímače polohy. Tento jediný konstrukční rozdíl se kaskádovitě promítá do téměř všech ostatních rozdílů mezi těmito dvěma typy motorů – účinnost, životnost, složitost ovládání a náklady, to vše se dá zpětně zjistit, zda ke komutaci dochází mechanicky nebo elektronicky.

Kartáčovaný vs. Bezuhlíkový motor Účinnost

Bezkomutátorové motory jsou typicky účinnější než kartáčové motory při srovnatelném výstupním výkonu, především proto, že eliminují dva ztrátové mechanismy vlastní kontaktu kartáče: tření mezi kartáčem a komutátorem a ztráty elektrickým obloukem, ke kterým dochází, když kartáče navazují a přerušují kontakt se segmenty komutátoru. Bezkomutátorové motory commonly achieve efficiencies in the 85-90% range , zatímco kartáčované motory obvykle běží o několik procentních bodů nižší při srovnatelných podmínkách zatížení.

Tato mezera v účinnosti je nejdůležitější v aplikacích napájených bateriemi a aplikacích s nepřetržitým provozem, kde se každý procentní bod účinnosti promítá přímo do doby chodu nebo snížení tvorby tepla. V nenáročných aplikacích s občasným používáním je rozdíl v účinnosti méně významný, což je součástí toho, proč jsou kartáčované motory běžné u levných spotřebních produktů, kde je pracovní cyklus přirozeně nízký.

Kartáčovaný stejnosměrný motor Výhody a nevýhody

Vážení a kartáčovaný motor Oproti bezkomutátorové alternativě jde o to, zda jeho jednoduchost a nízké náklady převáží kratší životnost a nižší účinnost pro konkrétní aplikaci.

• výhody: nižší cena, jednodušší řídicí elektronika, vysoký rozběhový moment, snadná oprava v terénu
• Nevýhody: opotřebení kartáče omezuje životnost, nižší účinnost, větší vývin tepla, elektrický šum (EMI) z jiskření kartáčů
• Nejvhodnější: aplikace s nízkým zatížením, nákladově citlivé aplikace, kde je přijatelná pravidelná výměna kartáče

Jak vybrat kartáčovaný stejnosměrný motor: Průvodce výběrem

Výběr správného kartáčovaného stejnosměrného motoru začíná stejnými základy jako jakýkoli stejnosměrný motor: definujte požadovaný točivý moment a otáčky při zátěži a poté je zkontrolujte proti jmenovitému výkonu motoru a dostupnému napájecímu napětí. Protože kartáčovaný motors mají omezenou životnost kartáčů, pracovní cyklus a očekávaná životnost mají při výběru větší váhu ve srovnání s bezkartáčovými alternativami.

• Potvrďte požadovaný točivý moment a otáčky při zatížení, včetně rezervy pro startovací a špičkové podmínky
• Přizpůsobte napětí dostupnému napájecímu zdroji a vyhněte se provozu pod nebo přepětím
• Odhadněte očekávaný pracovní cyklus a životnost oproti jmenovité životnosti kartáčů motoru
• Zkontrolujte teplotní parametry ve srovnání s nepřetržitými nebo přerušovanými provozními podmínkami
• Zvažte expozici prostředí – prach a vlhkost urychlují opotřebení kartáče a komutátoru

Výpočet točivého momentu a rychlosti motoru kartáčovaného stejnosměrného proudu

Výpočet točivého momentu a rychlosti pro kartáčovaný stejnosměrný motor se řídí stejnými principy jako jakékoli cvičení pro dimenzování stejnosměrného motoru: určete zatěžovací moment na výstupu (síla × poloměr pro rotační zatížení nebo síla ÷ mechanická výhoda pro lineární zatížení), přidejte bezpečnostní rezervu zhruba 20-50 % pro podmínky rozběhu a špičky a potvrďte požadované otáčky na výstupním hřídeli po zohlednění jakéhokoli snížení převodovky.

Požadavek na výkon vyplývá přímo z točivého momentu a otáček (výkon = točivý moment × úhlová rychlost) a tento údaj by měl být porovnán s trvalým jmenovitým výkonem motoru spíše než s jeho maximálním nebo blokovacím momentem, protože trvalý provoz v blízkosti blokovacího momentu generuje nadměrné teplo ve vinutí kotvy kartáčovaného motoru a urychluje opotřebení kartáče z vyššího odběru proudu.

Aplikace kartáčovaného DC motoru s vysokým točivým momentem

Kartáčované stejnosměrné motory, zejména konfigurace se sériovým vinutím, poskytují silný rozběhový moment vzhledem k jejich velikosti a ceně, což z nich činí praktickou volbu pro aplikace vyžadující vysoký točivý moment z klidu spíše než trvalý vysokorychlostní provoz. Mezi běžné aplikace kartáčovaných motorů s vysokým kroutícím momentem patří automobilové spouštěcí motory, navijáky, pohony elektrického nářadí a lineární pohony — všechny případy, kdy krátký, intenzivní požadavek točivého momentu je důležitější než účinnost trvalého provozu.

Kartáčované stejnosměrné motory pro průmyslová, robotická a automatizační zařízení

V průmyslovém a automatizačním prostředí jsou kartáčované stejnosměrné motory obvykle vyhrazeny pro nízkocyklové, cenově citlivé aplikace, kde je údržba spojená s pravidelnou výměnou kartáčů zvládnutelná – jednoduché pohony, nenáročné dopravníkové sekce a základní polohovací úlohy, které nevyžadují přesnost nebo dlouhou životnost bezkomutátorového servosystému.

V robotice se kartáčové motory stále objevují v levnějších amatérských a vzdělávacích platformách, prototypech a nekritických aktuátorech, kde rozpočet převažuje nad potřebou přesného ovládání nebo prodloužené životnosti. Výrobní robotika a zařízení, u kterých se očekává nepřetržitý provoz v náročných pracovních cyklech, se místo toho obvykle přesouvají na bezkomutátorové motory, kde jsou vyšší počáteční náklady kompenzovány nižší údržbou a lepší přesností ovládání po dobu životnosti zařízení.