Stejnosměrné motory s jádrem vs. bez jádra – který si vybrat?

Kartáčový stejnosměrný elektromotor přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii pomocí Lorentzova zákona, který říká, že „Vodič s proudem umístěný v magnetickém poli bude vystaven působení síly“. Tuto sílu lze využít různými způsoby, například v lineárním aktuátoru k přeměně rotačního pohybu na lineární pohyb.

Progressive Automations nabízí řadu lineární aktuátory obsahující buď jádrový, nebo bezjádrový stejnosměrný motor, ale který typ byste si měli vybrat a proč? Zkoumáme rozdíly mezi jádrovým a bezjádrovým stejnosměrným motorem a podíváme se na jejich konstrukci, výhody a nevýhody. Dále se zaměříme na provoz, komunikační protokoly a zpětnou vazbu různých motorů, abyste se mohli informovaně rozhodnout.

Stejnosměrné motory s jádrem a bez jádra: Tabulka srovnání

Při výběru stejnosměrného motoru je zásadní pochopení rozdílů mezi konstrukcemi stejnosměrných motorů s jádrem a bez jádra. Jasné srovnání stejnosměrných motorů pomáhá inženýrům a konstruktérům vyvážit výkon, účinnost, náklady a požadavky aplikace. Zatímco účinnost, přesnost a odezva bezjádrového motoru jsou přesvědčivými výhodami, výhody motorů s jádrem, jako je točivý moment, odolnost a cenová dostupnost, jsou také praktickými aspekty, které je třeba zvážit. Níže uvedená tabulka zdůrazňuje klíčové rozdíly, které vám pomohou vybrat nejvhodnější typ motoru pro vaši aplikaci.

Stejnosměrný motor s jádrem

Stejnosměrný motor s jádrem a kartáči je nejoblíbenějším typem motoru díky své nákladové efektivitě při výrobě a výrobě ve velkých objemech. Motor s jádrem se skládá z rotoru (rotujícího), statoru (nepohyblivého), komutátoru (obvykle kartáčovaného) a permanentních magnetů. Kromě toho jsou kolem železného jádra navinuta vinutí kotvy, která jsou připojena ke komutátoru.

Kartáče, které jsou v kontaktu s komutátorem, jsou vyrobeny z grafitu/uhlíku, což umožňuje průchod připojeného proudu skrz a do vinutí kotvy. Proud procházející vinutími vytváří magnetické pole, které interaguje se stacionárními magnety a generuje sílu, která otáčí železným jádrem, a tím i hřídelí motoru.

Tyto motory jsou ideální pro náročné aplikace díky vysokému rozběhovému momentu a tuhému železnému jádru. Díky železnému jádru, které slouží jako chladič, je jejich přehřátí menší. Mezi aplikace ve velkém měřítku patří elektromobily, výtahy a čerpadla. Mezi aplikace v malém měřítku patří lokomotivy, elektrické zubní kartáčky a další hračky.

Výhody

• Cenově výhodnější.
• Vysoký rozběhový moment.
• Řízení otáček v širokém rozsahu napětí.
• Rychlé rozjezdy, zastavení a couvání.
• Bez harmonických.

Nevýhody

• Nižší elektrická účinnost (přibližně 50 %).
• Vysoká údržba kvůli opotřebení kartáčů.

Bezjádrový stejnosměrný motor

Co je to bezjádrový motor? Je podobný stejnosměrnému motoru s jádrem v tom, že má kartáče a komutátor. Existují také bezkartáčové varianty. Rozdíl je však v tom, že vinutí rotoru jsou navinuta šikmo (neboli voštinově) a tvoří samonosný dutý válec, který je pro stabilitu obvykle opatřen epoxidovým povlakem.

Stator, který se nachází uvnitř dutého válce, je vyroben z magnetu vzácných zemin, jako je neodym, AlNiCo (hliník-nikl-kobalt) nebo SmCo (samarium-kobalt). Kartáče v bezjádrovém motoru mohou být vyrobeny z drahých kovů (např. stříbra, zlata nebo platiny) nebo grafitu. Drátěný válec rozkládá magnetické pole po celé konstrukci, když je na vodiče připojené ke kartáčům a komutátoru aplikován elektrický proud, který interaguje s magnetem vzácných zemin a vytváří sílu a otáčí hřídelí.

Bezjádrové motory otevírají širokou škálu možností použití v robotice. Mezi některé aplikace patří jejich rozsáhlé využití v protetice, inzulínových pumpách, laboratorním vybavení a rentgenových přístrojích – všechny vyžadují vysoce přesné polohování.

Výhody

• Malý, lehký a kompaktní design.
• Provoz s nízkou hlučností a vibracemi.
• Vysoce účinný (přibližně 90 %).
• Delší životnost díky menší elektroerozi.
• Vysoké rychlosti zrychlení a zpomalení.
• Lineární charakteristiky rychlosti/točivého momentu umožňující snadnější ovládání.

Nevýhody

• Výrazně dražší.
• Nezvládá tepelné přetížení, protože neexistuje železné jádro, které by sloužilo jako chladič pro vinutí rotoru.
• Vyžaduje další elektroniku (např. dekodéry).

Komunikační protokoly

Pokud se rozhodnete pro stejnosměrný motor s jádrem nebo bez jádra, musíte zvážit komunikační protokoly pro každý z nich. Mezi primární komunikační protokoly patří RS-485 a TTL/PWM. Výběr toho, který z nich vyberete, také určí typ motoru, který můžete použít.

Komunikace RS-485

Komunikace RS-485 je oblíbený sériový komunikační protokol, který umožňuje vysokorychlostní přenos dat mezi zařízeními. Jedná se o robustní a důvěryhodný komunikační standard, schopný poskytovat spolehlivá data na velké vzdálenosti.

Společnost Progressive Automations nabízí vysoce přesný lineární aktuátor PA-12, který lze ovládat pomocí mikrokontroléru Arduino. K dispozici jsou však dvě varianty, jedna s jádrovým stejnosměrným motorem (PA-12-T) a další s použitím bezjádrového stejnosměrného motoru (PA-12-R).

Pokud se rozhodnete pro bezjádrovou variantu, je nutné použít komunikaci RS-485. Tento protokol lze snadno implementovat pomocí modulu TTL-RS-485 pro komunikaci s Arduinem. Alternativně lze použít jiný mikrokontrolér, který komunikuje přes RS-485 přímo po vybalení z krabice.

TTL/PWM komunikace

Ten/Ta/To PA-12-T Lineární aktuátor lze ovládat přímo mikrokontrolérem Arduino prostřednictvím komunikace TTL/PWM, což snižuje náklady na další moduly pro převod komunikace. Lineární aktuátor má přesné řízení polohy s přesností až 100 μm.

Vzhledem k dříve diskutovaným výhodám a nevýhodám stejnosměrných motorů s jádrem a bez jádra bude nejlepší řešení záviset na aplikaci. Oba lineární pohony PA-12 poskytují přesné řízení polohy, ale komunikační protokoly se liší.

Zpětná vazba

Klíčovým faktorem pro rozhodnutí, který stejnosměrný motor zvolit, je rozhodnutí, zda připojit nějakou formu zpětné vazby. Zpětná vazba se vztahuje na jakékoli informace, které může řídicí jednotka použít k monitorování procesu a provádění korekcí. Například v případě stejnosměrného motoru jsou běžnými typy zpětné vazby potenciometry, Hallovy senzory a enkodéry.

Potenciometr přeměňuje stejnosměrný motor na servomotor, což umožňuje přesné řízení polohy a rychlosti. Typ zpětné vazby lze použít pro stejnosměrný motor s jádrem nebo bez jádra, ale je nezbytné zvážit různé možnosti zpětné vazby, abyste mohli učinit nejlepší rozhodnutí pro danou aplikaci. Pokud požadujete vysokou účinnost a vysokou přesnost, zvolte stejnosměrný motor bez jádra s enkodérem jako spolehlivou možnost zpětné vazby. Tato možnost je však poměrně drahá a bude záviset na vašich rozpočtových omezeních.

Často kladené otázky: Stejnosměrné motory s jádrem vs. bez jádra

Jaký je rozdíl mezi jádrovým a bezjádrovým stejnosměrným motorem?
Jádrový stejnosměrný motor používá jako rotor železné jádro ovinuté měděnými vinutími, zatímco bezjádrový stejnosměrný motor má vinutí rotoru navinutá šikmo (nebo voštinově) a tvoří tak samonosný dutý válec.

Jsou bezjádrové stejnosměrné motory účinnější než motory s jádrem?
Ano, bezjádrové stejnosměrné motory jsou obvykle účinnější. Absence železného jádra snižuje magnetické ztráty, což umožňuje lepší energetickou účinnost, nižší tvorbu tepla a lepší výkon v aplikacích vyžadujících časté spouštění, zastavování nebo přesnou regulaci otáček.

Který stejnosměrný motor je lepší pro vysoce přesné aplikace?
Bezjádrové stejnosměrné motory jsou obecně lepší volbou pro vysoce přesné aplikace. Jejich nízká setrvačnost umožňuje rychlé zrychlení a zpomalení, plynulejší pohyb a přesnější řízení rychlosti a polohy.

Přehřívají se bezjádrové stejnosměrné motory rychleji než motory s jádrem?
Bezjádrové stejnosměrné motory se s větší pravděpodobností přehřívají a hůře zvládají tepelné přetížení, protože nemají železné jádro, které by sloužilo jako chladič pro vinutí rotoru.

Kdy bych si měl/a zvolit motor s jádrem místo motoru bez jádra?
Stejnosměrný motor s jádrem je lepší volbou, pokud je prioritou vyšší rozběhový moment, jednoduchá obsluha a cenová efektivita.

Závěr

Zdůraznili jsme výhody a nevýhody stejnosměrných motorů s jádrem a bez jádra, stejně jako komunikační protokoly a možnosti zpětné vazby. Společnost Progressive Automations nabízí řadu lineárních aktuátorů obsahujících kombinaci těchto aktuátorů/zařízení/senzorů.

Rozhodnutí závisí na mnoha faktorech, jako jsou specifikace lineárního aktuátoru, ke kterému je stejnosměrný motor připojen, cena a požadovaná úroveň přesnosti. Aplikace určí potřebný motor a motor určí specifikace lineárního aktuátoru. Pro více informací o produktech Progressive Automations nebo pro další podporu, kontaktujte nás dnes.