DC двигатели със сърцевина срещу без сърцевина - кой да изберете?

Четковият електродвигател с постоянен ток преобразува електрическата енергия в механична, използвайки закона на Лоренц, който гласи, че „Проводник с ток, поставен в магнитно поле, ще изпита сила“. Тази сила може да се използва по различни начини, например в линеен задвижващ механизъм за преобразуване на въртеливото движение в линейно движение.

Progressive Automations предлага разнообразие от линейни задвижващи механизми съдържащ DC двигател със или без сърцевина, но кой тип трябва да изберете и защо? Ние изследваме разликите между DC двигател със и без сърцевина, като разглеждаме тяхната конструкция, плюсове и минуси. Освен това, ние разглеждаме работата, комуникационните протоколи и обратната връзка на различните двигатели, за да ви позволим да вземете информирано решение.

Сърцевини и безсърцевини DC двигатели: Таблица за сравнение рамо до рамо

При избора на DC двигател, разбирането на разликите между конструкциите на DC двигатели със сърцевина и без сърцевина е от решаващо значение. Ясното сравнение на DC двигателите помага на инженерите и проектантите да балансират производителността, ефективността, цената и изискванията за приложение. Докато ефективността, прецизността и бързината на безсърдечните двигатели са убедителни предимства, предимствата на сърцевинните двигатели, като въртящ момент, издръжливост и достъпност, също са практически аспекти, които трябва да се вземат предвид. Таблицата по-долу подчертава ключовите разлики, които ще ви помогнат да изберете най-подходящия тип двигател за вашето приложение.

DC двигател със сърцевина

Двигателят с постоянен ток и сърцевина с четкови намотки е най-популярният вид двигател поради неговата рентабилност при производство и производство в големи количества. Двигателят с сърцевина се състои от ротор (въртящ се), статор (неподвижен), колектор (обикновено с четкови намотки) и постоянни магнити. Освен това, около желязната сърцевина са навити намотки на котвата и са свързани с колектора.

Четките, които са в контакт с комутатора, са изработени от графит/въглерод, което позволява на свързан ток да преминава през и в намотките на котвата. Токът през намотките създава магнитно поле, което взаимодейства с неподвижните магнити и генерира сила, която завърта желязната сърцевина, като по този начин завърта вала на двигателя.

Тези двигатели са идеални за взискателни приложения, благодарение на високия си начален въртящ момент и твърдата си желязна сърцевина. По-малко вероятно е те да прегреят, тъй като желязната сърцевина действа като радиатор. Приложенията в голям мащаб включват електрически автомобили, асансьори и помпи. Приложенията в малък мащаб включват локомотиви, електрически четки за зъби и други играчки.

Плюсове

• По-рентабилно.
• Висок стартов въртящ момент.
• Контрол на скоростта в широк диапазон от напрежения.
• Бързо стартиране, спиране и заден ход.
• Без хармоници.

Недостатъци

• По-ниска електрическа ефективност (приблизително 50%).
• Висока поддръжка поради износващи се четки.

Безсърдечен DC мотор

Какво е безсърдечен двигател? Той е подобен на постояннотоков двигател със сърцевина, тъй като има четки и колектор. Съществуват и безчеткови варианти. Разликата обаче е, че намотките на ротора са навити наклонено (или тип „пчелна пита“), за да образуват самоносещ кух цилиндър, който обикновено е епоксидно покрит за стабилност.

Статорът, който се намира вътре в кухия цилиндър, е изработен от рядкоземен магнит, като неодим, AlNiCo (алуминий-никел-кобалт) или SmCo (самарий-кобалт). Четките в безсърдечен двигател могат да бъдат изработени от благороден метал (напр. сребро, злато или платина) или графит. Цилиндърът от тел разпределя магнитното поле в цялата структура, когато към проводниците, свързани с четките и комутатора, се приложи електрически ток, който взаимодейства с рядкоземния магнит, за да създаде сила и да завърти вала.

Безсърцевите двигатели откриват широк спектър от възможности за приложение в роботиката. Някои от приложенията им включват широкото им приложение в протези, инсулинови помпи, лабораторно оборудване и рентгенови апарати – всички изискващи високоточно позициониране.

Плюсове

• Малък, лек и компактен дизайн.
• Работа с нисък шум и вибрации.
• Високоефективен (приблизително 90%).
• По-дълъг живот поради по-малка електроерозия.
• Високи скорости на ускорение и забавяне.
• Линейни характеристики на скоростта/въртящия момент, позволяващи по-лесен контрол.

Недостатъци

• Значително по-скъпо.
• Не може да се справи с термични претоварвания, тъй като няма желязна сърцевина, която да действа като радиатор за намотките на ротора.
• Изисква допълнителна електроника (напр. декодери).

Комуникационни протоколи

Ако избирате DC двигател със или без сърцевина, трябва да вземете предвид комуникационните протоколи за всеки от тях. Основните комуникационни протоколи включват RS-485 и TTL/PWM комуникация. Изборът на този ще определи и вида на двигателя, който можете да използвате.

RS-485 комуникация

RS-485 комуникацията е популярен сериен комуникационен протокол, който осигурява високоскоростен пренос на данни между устройства. Това е надежден и надежден стандарт за комуникация, способен да предоставя надеждни данни на големи разстояния.

Progressive Automations предлага високопрецизен линеен задвижващ механизъм PA-12, който може да се управлява с помощта на микроконтролер Arduino. Предлагат се обаче две разновидности, едната от които използва DC мотор със сърцевина (PA-12-T) и друг, използващ безсърдечен DC мотор (PA-12-R).

Ако изберете безядрен вариант, тогава трябва да се използва RS-485 комуникация. Този протокол се реализира лесно чрез използване на TTL към RS-485 модул за комуникация с Arduino. Като алтернатива може да се използва друг микроконтролер, който комуникира чрез RS-485 директно след разопаковането.

TTL/PWM комуникация

The PA-12-T Линейният задвижващ механизъм може да се управлява директно с микроконтролер Arduino чрез TTL/PWM комуникация, което намалява разходите за допълнителни модули за преобразуване на комуникацията. Линейният задвижващ механизъм има прецизен контрол на позицията с точност до 100μm.

Като се имат предвид обсъдените по-рано плюсове и минуси на DC двигателите със и без сърцевина, най-доброто решение ще зависи от приложението. И двата линейни задвижвания PA-12 осигуряват точен контрол на позицията, но комуникационните протоколи са различни.

Обратна връзка

Ключов фактор при определянето на избора на DC двигател е дали да се добави някаква форма на обратна връзка. Обратната връзка се отнася до всяка информация, която контролерът може да използва, за да наблюдава процес и да прави корекции. Например, в случай на DC двигател, потенциометри, сензори на Хол и енкодери са често срещани видове обратна връзка.

Потенциометърът преобразува DC мотор в серво мотор, което позволява прецизен контрол на позицията и скоростта. Типът обратна връзка може да се приложи към DC мотор със или без сърцевина, но е важно да се вземат предвид различните опции за обратна връзка, за да се вземе най-доброто решение, подходящо за приложението. Ако се нуждаете от висока ефективност и висока точност, изберете DC мотор без сърцевина с енкодер като надеждна опция за обратна връзка. Тази опция обаче е доста скъпа и ще зависи от вашите бюджетни ограничения.

ЧЗВ: DC двигатели със сърцевина срещу без сърцевина

Каква е разликата между DC двигател със сърцевина и без сърцевина?
Роторът на DC двигателя със сърцевина е желязна сърцевина, обвита с медни намотки, докато роторът на DC двигателя без сърцевина има намотки, навити накриво (или като пчелна пита), за да образуват самоносещ кух цилиндър.

По-ефективни ли са безядрените DC двигатели от двигателите със сърцевина?
Да, безсърдечните DC двигатели обикновено са по-ефективни. Липсата на желязна сърцевина намалява магнитните загуби, което позволява по-добра енергийна ефективност, по-ниско генериране на топлина и подобрена производителност в приложения, изискващи чести стартирания, спирания или прецизен контрол на скоростта.

Кой DC двигател е по-добър за високопрецизни приложения?
Безядровите DC двигатели обикновено са по-добрият избор за високопрецизни приложения. Ниската им инерция позволява бързо ускорение и забавяне, по-плавно движение и по-точен контрол на скоростта и позицията.

Безядровите DC двигатели прегряват ли по-бързо от двигателите със сърцевина?
Безядровите DC двигатели са по-склонни към прегряване и са по-малко способни да се справят с термични претоварвания, тъй като няма желязна сърцевина, която да действа като радиатор за роторните намотки.

Кога трябва да избера двигател със сърцевина вместо двигател без сърцевина?
DC двигател със сърцевина е по-добрият вариант, когато по-високият начален въртящ момент, лесната работа и икономическата ефективност са приоритет.

Заключение

Подчертахме предимствата и недостатъците на DC двигателите със и без сърцевина, както и комуникационните протоколи и опциите за обратна връзка. Progressive Automations предлага разнообразие от линейни задвижващи механизми, съдържащи комбинация от тези задвижващи механизми/устройства/сензори.

Решението зависи от много фактори, като например спецификациите на линейния задвижващ механизъм, към който е прикрепен DC моторът, цената и необходимото ниво на точност. Приложението ще определи необходимия мотор, а моторът ще определи спецификациите на линейния задвижващ механизъм. За повече информация относно продуктите на Progressive Automations или за допълнителна поддръжка, свържете се с нас днес.