موتورهای DC بدون جاروبک توضیح داده شده: نحوه کار آنها، نمودارها و استفاده از مته

موتور الکتریکی DC چیست؟

موتور الکتریکی DC ماشینی است که انرژی الکتریکی جریان مستقیم را به انرژی چرخشی مکانیکی تبدیل می کند. هنگامی که جریان از طریق یک هادی که در داخل یک میدان مغناطیسی قرار دارد جریان می‌یابد، نیرویی بر آن هادی وارد می‌شود - این نیروی لورنتس است، و این اصل فیزیکی پشت هر موتور DC موجود است. با چیدمان چندین هادی حامل جریان (سیم پیچ) به طور متقارن در اطراف یک شفت دوار و مدیریت جهت جریان از طریق آنها، یک موتور DC چرخش مداوم و قابل کنترلی را ایجاد می کند.

موتورهای DC هر جا که به درایو با سرعت متغیر، گشتاور بالا یا باتری نیاز باشد استفاده می شود: ابزارهای برقی، وسایل نقلیه الکتریکی، نوار نقاله های صنعتی، روباتیک، فن های HVAC و لوازم مصرفی. مشخصه تعیین کننده آنها این است که سرعت چرخش مستقیماً با ولتاژ اعمال شده متناسب است و گشتاور با جریان متناسب است - کنترل الکترونیکی آنها را در مقایسه با موتورهای AC ساده می کند.

دو دسته اصلی موتورهای DC هستند موتورهای DC برس خورده و موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC) . هر دو بر اساس اصول الکترومغناطیسی یکسانی عمل می‌کنند، اما در نحوه مدیریت تغییر جریان از طریق سیم‌پیچ‌های موتور - عملکردی به نام کموتاسیون - اساساً با هم تفاوت دارند.

چگونه یک موتور الکتریکی DC کار می کند: اصول اصلی

هر موتور DC دارای دو جزء مغناطیسی اساسی است: استاتور (قسمت بیرونی ثابت که میدان مغناطیسی ثابتی را فراهم می کند) و روتور (بخش داخلی چرخان که آرمیچر نیز نامیده می شود). برهمکنش بین میدان مغناطیسی استاتور و میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم‌پیچ‌های حامل جریان روی روتور، نیروی چرخشی – گشتاور – ایجاد می‌کند که شفت را به حرکت در می‌آورد.

برای اینکه چرخش به جای یک نیم چرخش، پیوسته باشد، جهت جریان از طریق سیم پیچ های روتور باید در لحظه مناسب با چرخش روتور برعکس شود. بدون این سوئیچینگ - که کموتاسیون نامیده می شود - نیروهای مغناطیسی معکوس می شوند و روتور را به موقعیت اولیه خود برمی گردانند. در یک موتور DC برس خورده، کموتاسیون به صورت مکانیکی انجام می شود توسط یک حلقه مسی قطعه‌بندی شده (کموتاتور) که روی شفت روتور نصب شده است و بلوک‌های کربنی فنری (برس‌ها) که روی آن فشار می‌آورند. با چرخش روتور، برس ها با بخش های متوالی کموتاتور تماس لغزشی برقرار می کنند و به طور خودکار جهت جریان را در نقطه صحیح در هر چرخش معکوس می کنند.

نمودار موتور DC ساده: اجزای کلیدی

یک موتور DC ساده شده دارای عناصر زیر است که در اطراف یک محور مرکزی چیده شده اند:

• استاتور (آهنربای میدان): آهنرباهای دائمی یا آهنرباهای الکتریکی نصب شده در محفظه بیرونی که یک میدان مغناطیسی ثابت را از طریق شکاف هوای روتور ایجاد می کنند.
• روتور (آرماتور): یک هسته آهنی چند لایه با سیم پیچ های مسی عایق شده. جریان کاری را حمل می کند و میدان مغناطیسی دوار را تولید می کند.
• کموتاتور: حلقه مسی قطعه بندی شده متصل به شفت روتور؛ هنگام چرخش روتور جهت جریان را در سیم پیچ ها تغییر می دهد.
• برس ها: کنتاکت‌های کربنی فنری که به کموتاتور فشار می‌آورند و جریان را از مدار خارجی به سیم‌پیچ‌های دوار می‌رسانند.
• شفت و بلبرینگ: خروجی چرخشی را به بار منتقل کنید. بلبرینگ ها از شفت پشتیبانی می کنند و اصطکاک را به حداقل می رسانند.

برس ها و کموتاتور نقاط ضعف مکانیکی یک موتور برس خورده هستند. برس های کربنی به تدریج از طریق اصطکاک، تولید گرما، صدای الکتریکی و گرد و غبار کربن فرسوده می شوند. در سرعت های بالا یا تحت بار سنگین، تماس برس می تواند قوس شود و باعث سایش بیشتر شود. اکثر موتورهای برس خورده بسته به شرایط بار و سرعت، پس از 500 تا 2000 ساعت کار به تعویض برس نیاز دارند.

موتور براشلس چیست؟

موتور DC بدون جاروبک (BLDC) یک موتور الکتریکی DC است که مجموعه کموتاتور و برس را به طور کامل حذف می‌کند و جایگزینی کموتاسیون مکانیکی را با کموتاسیون الکترونیکی که توسط یک کنترل‌کننده موتور اختصاصی مدیریت می‌شود، جایگزین می‌کند. نتیجه موتوری بدون تماس فیزیکی بین قطعات ثابت و دوار است - بدون برس برای سایش، بدون کموتاتور به قوس، و بدون گرد و غبار کربن برای آلوده کردن قطعات داخلی موتور.

در یک موتور بدون جاروبک، نقش روتور و استاتور در مقایسه با یک طرح برس دار معکوس شده است. آهنرباهای دائمی روی روتور نصب می شوند ، در حالی که سیم پیچ های مسی (سیم پیچ) روی استاتور ثابت می شوند . کنترل‌کننده موتور موقعیت زاویه‌ای روتور را با استفاده از حسگرهای اثر هال تعبیه‌شده در استاتور می‌خواند و جریان را از طریق سیم‌پیچ‌های استاتور به ترتیب صحیح تغییر می‌دهد تا چرخش روتور حفظ شود. این سوئیچینگ الکترونیکی هزاران بار در ثانیه اتفاق می افتد و برای کاربر نامرئی است - اما کل سیستم مکانیکی کموتاسیون یک موتور برس خورده را با الکترونیک حالت جامد جایگزین می کند.

از آنجایی که سیم‌پیچ‌ها روی استاتور (قسمت ثابت) قرار دارند، گرمای تولید شده توسط جریان جریان می‌تواند مستقیماً از طریق محفظه موتور - که در تماس با هوای اطراف یا هیت سینک است - پخش شود. در موتورهای برس خورده، گرما در داخل آرمیچر چرخان تولید می شود، جایی که حذف آن سخت تر است. این مزیت حرارتی به موتورهای براشلس اجازه می دهد تا برای مدت طولانی تری بدون گرم شدن بیش از حد کار کنند.

موتور بدون جاروبک چگونه کار می کند: کموتاسیون الکترونیکی

عملکرد یک موتور بدون جاروبک به سه سیستم متقابل بستگی دارد: روتور آهنربای دائم، سیم‌پیچ‌های استاتور سه فاز، و کنترل‌کننده سرعت الکترونیکی (ESC) یا درایور موتور.

موتورهای براشلس معمولاً با سه مجموعه سیم پیچ استاتور با فاصله 120 درجه از هم چیده شده اند (ساخت سه فاز). کنترل‌کننده موتور این سیم‌پیچ‌ها را در یک توالی چرخشی انرژی می‌دهد و یک میدان مغناطیسی دوار در استاتور ایجاد می‌کند. روتور آهنربای دائمی این میدان دوار را تعقیب می‌کند - همیشه سعی می‌کند با نزدیک‌ترین قطب مغناطیسی استاتور هماهنگ شود - و این دنبال کردن میدان دوار همان چیزی است که چرخش مداوم را ایجاد می‌کند.

کنترل کننده باید همیشه موقعیت دقیق روتور را بداند تا سیم پیچ صحیح را در لحظه درست انرژی دهد. سنسورهای جلوه هال تعبیه شده در استاتور موقعیت آهنرباهای روتور را تشخیص می دهد و سیگنال های موقعیت را در هر نقطه از چرخش به کنترل کننده ارسال می کند. برخی از موتورهای بدون جاروبک پیشرفته از کموتاسیون بدون سنسور استفاده می کنند - استنباط موقعیت روتور از back-EMF (ولتاژ تولید شده توسط روتور در حال چرخش) به جای سنسورهای فیزیکی - که باعث کاهش تعداد قطعات و بهبود قابلیت اطمینان در کاربردهای با سرعت بالا می شود.

راندمان موتور بدون جاروبک: چرا مهم است

موتورهای براشلس به طور معمول به دست می آورند راندمان الکتریکی به مکانیکی 85 تا 95 درصد ، در مقایسه با 75-85٪ برای موتورهای برس خورده معادل. افزایش بهره وری از حذف تلفات اصطکاک برس، کاهش مقاومت الکتریکی در نقاط کموتاسیون و امکان کنترل دقیق تر جریان از طریق سوئیچینگ الکترونیکی حاصل می شود. در برنامه های کاربردی با باتری - ابزارهای برقی، وسایل نقلیه الکتریکی، هواپیماهای بدون سرنشین - این تفاوت کارایی مستقیماً به مدت زمان طولانی تر در هر بار شارژ تبدیل می شود. یک مته بدون جاروبک که کار مشابهی را انجام می‌دهد، باتری آن را حتی در توان یکسان به میزان قابل‌توجهی کندتر تخلیه می‌کند.

مته موتور براشلس چیست؟

مته موتور بدون جاروبک یک مته یا دریل شارژی است که به جای موتورهای برس دار معمولی، از یک موتور DC بدون جاروبک تغذیه می کند. مته های بدون برس برای اولین بار در ابزارهای درجه حرفه ای در حدود سال های 2009 تا 2012 ظاهر شدند و از آن زمان به استاندارد در تمام سطوح عملکرد از DIY تا مصارف صنعتی تبدیل شده اند.

مزایای عملی مته های موتور بدون جاروبک نسبت به معادل های برس دار قابل ردیابی است و به طور مستقیم به تفاوت های طراحی موتور که در بالا توضیح داده شد قابل ردیابی است:

• طول عمر باتری طولانی تر: راندمان بالاتر موتور به معنای کار بیشتر در هر بار شارژ است. دریل‌های بدون برس معمولاً 25 تا 50 درصد بیشتر از مدل‌های برس‌کشی شده روی یک بسته باتری، زمان اجرا ارائه می‌کنند.
• توان خروجی بالاتر: بدون تلفات اصطکاک برس، انرژی بیشتری از باتری به چاک می رسد. دریل های بدون برس به ازای هر آمپری که از باتری گرفته می شود گشتاور بیشتری تولید می کنند.
• عمر ابزار بیشتر: عدم فرسودگی برس و عدم وجود قوس کموتاتور به این معنی است که خود موتور در استفاده معمولی عمر مفیدی دارد که اساساً نامحدود است. عوامل محدود کننده به جای موتور، بلبرینگ و گیربکس هستند.
• انتقال توان تطبیقی: کنترل کننده موتور در یک مته بدون جاروبک می تواند تحویل جریان را در زمان واقعی بر اساس بار تنظیم کند. تحت بارهای سبک، موتور حداقل جریان را می کشد. تحت بارهای سنگین به بالا می رود. این رفتار حسگر بار کنترل را بهبود می بخشد و تخلیه باتری را در کارهای آسان کاهش می دهد.
• نگهداری کمتر: بدون بازرسی و یا فواصل تعویض برس. مته های برس خورده در مصارف حرفه ای سنگین معمولاً هر یک تا دو سال یکبار نیاز به تعویض برس دارند. دریل های بدون جاروبک نیازی به خدمات مشابه ندارند.

مبادله اولیه هزینه است: کنترل کننده سرعت الکترونیکی پیچیدگی ساخت را اضافه می کند و دریل های بدون جاروبک را گران تر از معادل های برس خورده در سطوح توان معادل می کند. با این حال، با افزایش حجم تولید، حق بیمه قیمت به شدت کاهش یافته است - دریل‌های براشلس سطح ابتدایی اکنون با قیمت‌هایی در دسترس هستند که قبلاً فقط با موتورهای برس‌کاری شده قابل دستیابی بودند، و مزیت براش‌لس را برای همه بودجه‌ها در دسترس قرار می‌دهند.

برس در مقابل مته بدون برس: چه زمانی مهم است؟

برای استفاده سبک گاه به گاه - آویزان کردن تصاویر، مونتاژ مبلمان با بسته بندی مسطح - یک مته برس کاری شده کافی و مقرون به صرفه است. مزایای کارایی و طول عمر موتورهای براشلس در کاربردهای با چرخه کاری بالا بسیار ارزشمند است: تاجرانی که از مته خود برای چندین ساعت در روز استفاده می کنند، برنامه هایی که به حداکثر زمان کار با یک بار شارژ نیاز دارند، یا کارهایی که نیاز به گشتاور ثابت در دوره های طولانی دارند، مانند راندن تعداد زیادی پیچ یا خسته کردن از چوب متراکم و سنگ تراشی. برای هر مته شارژی که به طور منظم حرفه ای یا نیمه حرفه ای استفاده می شود، براشلس انتخاب صحیحی است.

براش در مقابل موتور DC بدون جاروبک : مقایسه فنی

موتورهای DC بدون جاروبک در حال حاضر بر کاربردهایی که کارایی، طول عمر یا کنترل الکترونیکی دقیق اولویت دارند، غالب هستند. موتورهای برس خورده برای کاربردهای حساس به هزینه، چرخه کار کم، یا کاربردهای ساده که هزینه واحد پایین‌تر و مدارهای درایو ساده‌تر آن‌ها بیشتر از معایب عملکردشان است، همچنان در حال تولید هستند. به طور خاص در بخش ابزارهای برقی، بازار به طور قاطع به سمت بدون برس تغییر کرده است - اکثر سازندگان اصلی ابزار اکنون انواع بدون براش را در کل محدوده بی سیم خود ارائه می دهند ، از پیچ گوشتی های فشرده گرفته تا مته های چکشی سنگین و آسیاب های زاویه ای.