Ein bürstenloser Gleichstrommotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um, indem er das Lorentz-Gesetz anwendet, das besagt, dass „ein stromführender Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet, eine Kraft erfahren wird”. Diese Kraft kann auf verschiedene Weise genutzt werden, beispielsweise in einem Linearantrieb, um Drehbewegung in lineare Bewegung umzuwandeln.
Progressive Automations bietet eine Vielzahl von Linearantrieben an, die entweder einen Motor mit Kern oder einen kernlosen Gleichstrommotor enthalten, aber welchen Typ sollten Sie wählen und warum? Wir untersuchen die Unterschiede zwischen einem Motor mit Kern und einem kernlosen Gleichstrommotor, indem wir ihre Konstruktion sowie Vor- und Nachteile betrachten. Darüber hinaus betrachten wir den Betrieb, die Kommunikationsprotokolle und das Feedback verschiedener Motoren, um Ihnen eine informierte Entscheidung zu ermöglichen.
Gleichstrommotor mit Kern
Ein bürstenloser Gleichstrommotor mit Kern ist die beliebteste Motorvariante, da sie kosteneffektiv in großen Stückzahlen hergestellt werden kann. Ein Motor mit Kern besteht aus einem Rotor (rotierend), einem Stator (stationär), einem Kommutator (gewöhnlich mit Bürsten) und Permanentmagneten. Darüber hinaus sind die Wicklungen der Anker um den Eisenkern gewickelt und mit dem Kommutator verbunden.
Die Bürsten, die den Kommutator berühren, bestehen aus Graphit/Kohlenstoff, was es einem angeschlossenen Strom ermöglicht, durch die Wicklungen des Ankers zu fließen. Der Strom durch die Wicklungen erzeugt ein Magnetfeld, das mit den stationären Magneten interagiert und eine Kraft erzeugt, die den Eisenkern dreht und somit die Motorachse bewegt.
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Diese Motoren sind ideal für anspruchsvolle Anwendungen aufgrund ihres hohen Anlaufmoments und des stabilen Eisenkerns. Sie überhitzen weniger wahrscheinlich, da der Eisenkern als Kühlkörper fungiert. Zu den großflächigen Anwendungen gehören Elektroautos, Aufzüge und Pumpen. Zu den kleineren Anwendungen gehören Lokomotiven, elektrische Zahnbürsten und andere Spielzeuge.
Vorteile
- Kosteneffektiver.
- Hohes Anlaufmoment.
- Geschwindigkeitsregelung über ein breites Spektrum von Spannungen.
- Schnelles Starten, Stoppen und Rückwärtsfahren.
- Frei von Harmonischen.
Nachteile
- Niedrigere elektrische Effizienzen (ca. 50%).
- Hoher Wartungsaufwand aufgrund des Verschleißes der Bürsten.
Kernloser Gleichstrommotor
Was ist ein kernloser Motor? Er ähnelt einem Gleichstrommotor mit Kern, da er Bürsten und einen Kommutator hat. Es gibt auch bürstenlose Varianten. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Wicklungen der Rotoren schräg (oder in Wabenform) gewickelt sind, um einen selbsttragenden Hohlzylinder zu bilden, der normalerweise mit Epoxidharz für Stabilität beschichtet ist.
Der Stator, der sich im Inneren des Hohlzylinders befindet, besteht aus einem Magneten seltener Erden, wie Neodym, AlNiCo (Aluminium-Nickel-Kobalt) oder SmCo (Samarium-Kobalt). Die Bürsten in einem kernlosen Motor können aus Edelmetallen (z. B. Silber, Gold oder Platin) oder Graphit bestehen. Der Drahtzylinder verteilt das Magnetfeld über die gesamte Struktur, wenn ein elektrischer Strom auf die Drähte angewendet wird, die mit den Bürsten und dem Kommutator verbunden sind, was mit dem Magneten seltener Erden interagiert, um eine Kraft zu erzeugen und die Achse zu drehen.
Kernlose Motoren eröffnen eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in der Robotik. Einige Anwendungen umfassen ihre umfangreiche Verwendung in Prothesen, Insulinpumpen, Laborgeräten und Röntgengeräten – alle erfordern eine hochpräzise Positionierung.
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Der PA-12-R verwendet einen kernlosen Motor und TTL/PWM-Kommunikation!
Vorteile
- Kompakte, leichte und kleine Bauweise.
- Leiser Betrieb mit geringem Geräusch- und Vibrationspegel.
- Hohe Effizienz (ca. 90%).
- Längere Lebensdauer aufgrund geringerer Elektroerosion.
- Hohe Beschleunigungs- und Verzögerungsraten.
- Lineare Geschwindigkeits-/Drehmomentmerkmale, die eine einfachere Steuerung ermöglichen.
Nachteile
- Deutlich teurer.
- Kann keine thermischen Überlastungen bewältigen, da es keinen Eisenkern gibt, der als Kühlkörper für die Wicklungen des Rotors fungiert.
- Benötigt zusätzliche Elektronik (z. B. Decoder).
Kommunikationsprotokolle
Wenn Sie sich für einen Gleichstrommotor mit oder ohne Kern entscheiden, müssen Sie die Kommunikationsprotokolle für jeden einzelnen berücksichtigen. Die wichtigsten Kommunikationsprotokolle umfassen RS-485 und TTL/PWM-Kommunikation. Welches Sie auswählen, bestimmt auch, welchen Motortyp Sie verwenden können.
RS-485-Kommunikation
Die RS-485-Kommunikation ist ein beliebtes serielles Kommunikationsprotokoll, das eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zwischen Geräten ermöglicht. Es ist ein robustes, bewährtes Kommunikationsstandard, das zuverlässige Daten über große Entfernungen bereitstellen kann.
Progressive Automations bietet den PA-12 Hochpräzisions-Linearantrieb an, der mit einem Arduino-Mikrocontroller gesteuert werden kann. Es werden jedoch zwei Varianten angeboten, eine mit einem Gleichstrommotor mit Kern (PA-12-T) und eine andere mit einem kernlosen Gleichstrommotor (PA-12-R).
Wenn Sie sich für die kernlose Variante entscheiden, muss die RS-485-Kommunikation verwendet werden. Dieses Protokoll lässt sich leicht implementieren, indem ein TTL-zu-RS-485-Modul verwendet wird, um mit dem Arduino zu kommunizieren. Alternativ kann ein anderer Mikrocontroller verwendet werden, der direkt nach dem Auspacken über RS-485 kommuniziert.
TTL/PWM-Kommunikation
Der PA-12-T Linearantrieb kann direkt mit einem Arduino-Mikrocontroller über TTL/PWM-Kommunikation gesteuert werden, wodurch die Kosten für zusätzliche Kommunikationsumwandlungs-Module gesenkt werden. Der Linearantrieb hat eine präzise Positionskontrolle mit einer Genauigkeit von bis zu 100um.
Unter Berücksichtigung der zuvor diskutierten Vor- und Nachteile von Gleichstrommotoren mit und ohne Kern hängt die beste Lösung von der Anwendung ab. Beide PA-12 Linearantriebe bieten eine präzise Positionskontrolle, aber die Kommunikationsprotokolle sind unterschiedlich.
Feedback
Ein entscheidender Faktor bei der Entscheidung, für welchen Gleichstrommotor Sie sich entscheiden sollten, ist die Frage, ob Sie eine Form von Feedback anbringen möchten. Feedback bezieht sich auf alle Informationen, die ein Controller verwenden kann, um einen Prozess zu überwachen und Korrekturen vorzunehmen. Zum Beispiel sind bei einem Gleichstrommotor Potentiometer, Hall-Effekt-Sensoren und Encoder gängige Arten von Feedback.
Ein Potentiometer verwandelt einen Gleichstrommotor in einen Servomotor, was eine präzise Steuerung von Position und Geschwindigkeit ermöglicht. Die Art des Feedbacks kann sowohl auf einen Gleichstrommotor mit als auch ohne Kern angewendet werden, aber es ist wichtig, die verschiedenen Feedback-Optionen zu berücksichtigen, um die beste Entscheidung für die Anwendung zu treffen. Wenn Sie hohe Effizienz und hohe Genauigkeit benötigen, entscheiden Sie sich für einen kernlosen Gleichstrommotor mit einem Encoder als zuverlässige Feedback-Option. Diese Option ist jedoch recht teuer und hängt von Ihren Budgetbeschränkungen ab.
Fazit
Wir haben die Vor- und Nachteile von Gleichstrommotoren mit und ohne Kern sowie die Kommunikationsprotokolle und Feedback-Optionen hervorgehoben. Progressive Automations bietet eine Vielzahl von Linearantrieben an, die eine Mischung aus diesen Aktuatoren/ Geräten/Sensoren enthalten.
Die Entscheidung hängt von vielen Faktoren ab, wie den Spezifikationen des Linearantriebs, an den der Gleichstrommotor angeschlossen ist, dem Preis und dem erforderlichen Genauigkeitsgrad. Die Anwendung bestimmt den benötigten Motor, und der Motor bestimmt die Spezifikationen des Linearantriebs. Für weitere Informationen zu den Produkten von Progressive Automations oder für zusätzliche Unterstützung kontaktieren Sie uns noch heute.