Harjallinen tasavirtamoottori muuntaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi Lorentzin lain mukaisesti, jonka mukaan „magneettikenttään sijoitettu, virtaa kuljettava johdin kokee voiman”. Tätä voimaa voidaan hyödyntää monin tavoin, esimerkiksi lineaarisessa toimilaitteessa muuttamaan pyörivä liike lineaariseksi liikkeeksi.
Progressive Automations tarjoaa useita lineaarisia toimilaitteita, joissa on joko rautaytiminen tai ytimetön tasavirtamoottori – mutta minkä tyyppisen valitsisit ja miksi? Tarkastelemme rautaytimisen ja ytimestään vapaan (ytimettömän) tasavirtamoottorin eroja niiden rakenteen sekä etujen ja haittojen kautta. Lisäksi käymme läpi eri moottoreiden toimintaa, viestintäprotokollia ja palautetta, jotta voit tehdä harkitun valinnan.
Rautaytiminen tasavirtamoottori
Rautaytiminen, harjallinen tasavirtamoottori on suosituin moottorityyppi, koska sen valmistus on kustannustehokasta myös suurissa sarjoissa. Rautaytiminen moottori koostuu roottorista (pyörivä), staattorista (paikallaan pysyvä), kommutattorista (yleensä harjallinen) ja kestomagneeteista. Lisäksi ankkurin käämitys on kierretty rautasydämen ympärille ja kytketty kommutattoriin.
Kommutattoria vasten olevat harjat on valmistettu grafiitista/hiilestä, mikä mahdollistaa kytketyn virran kulun ankkurin käämityksiin. Käämitysten läpi kulkeva virta synnyttää magneettikentän, joka vuorovaikuttaa paikallaan olevien magneettien kanssa ja tuottaa voiman, joka pyörittää rautasydäntä ja kääntää siten moottorin akselia.
Nämä moottorit sopivat vaativiin sovelluksiin korkean käynnistysvääntömomenttinsa ja jäykän rautasydämensä ansiosta. Ne kuumenevat epätodennäköisemmin liikaa, koska rautasydän toimii lämpöä pois johtavana jäähdytyselementtinä. Suurissa kohteissa käyttökohteita ovat esimerkiksi sähköautot, hissit ja pumput. Pienemmissä kohteissa käyttökohteita ovat esimerkiksi pienet veturisarjat, sähköhammasharjat ja muut lelut.
Edut
- Kustannustehokkaampi.
- Korkea käynnistysvääntömomentti.
- Nopeuden säätö laajalla jännitealueella.
- Nopea käynnistys, pysäytys ja suunnanvaihto.
- Ei harmonisia häiriöitä.
Haitat
- Alhaisempi sähköinen hyötysuhde (noin 50 %).
- Korkeampi huoltotarve harjojen kulumisen vuoksi.
Ytimetön tasavirtamoottori
Mikä on ytimetön moottori? Se muistuttaa rautaytimistä tasavirtamoottoria siinä, että siinä on harjat ja kommutattori. Saatavana on myös harjattomia versioita. Erona kuitenkin on, että roottorin käämit on kierretty viistosti (tai kennomaisesti) niin, että ne muodostavat itseään tukevan ontelon, joka yleensä kyllästetään epoksilla vakauden parantamiseksi.
Staattori, joka sijaitsee ontelon sisällä, on valmistettu harvinaisten maametallien magneetista, kuten neodyymistä, AlNiCo:sta (alumiini‑nikkeli‑koboltti) tai SmCo:sta (samarium‑koboltti). Ytimetön moottorin harjat voivat olla jalometallia (esim. hopea, kulta tai platina) tai grafiittia. Kun harjoihin ja kommutattoriin kytkettyihin johtimiin syötetään sähkövirta, lankasylinteri jakaa magneettikentän koko rakenteeseen; tämä vuorovaikuttaa harvinaisten maametallien magneetin kanssa ja tuottaa voiman, joka pyörittää akselia.
Ytimestään vapaat moottorit avaavat monipuolisia mahdollisuuksia robotiikassa. Esimerkkejä ovat niiden laaja käyttö proteeseissa, insuliinipumpuissa, laboratoriolaitteissa ja röntgenlaitteissa – kaikissa vaaditaan erittäin tarkkaa paikannusta.
Edut
- Pieni, kevyt ja kompakti rakenne.
- Hiljainen toiminta, vähän ääntä ja tärinää.
- Erittäin korkea hyötysuhde (noin 90 %).
- Pidempi käyttöikä vähäisemmän sähköeroosion ansiosta.
- Korkeat kiihtyvyys- ja hidastuvuusarvot.
- Lineaarinen nopeus/vääntömomentti‑käyttäytyminen helpottaa ohjausta.
Haitat
- Merkittävästi kalliimpi.
- Ei kestä lämpöylikuormia, koska roottorin käämeille ei ole rautasydäntä toimimassa jäähdytyselementtinä.
- Edellyttää lisäelektroniikkaa (esim. dekooderit).
Viestintäprotokollat
Valitsitpa rautaytimisen tai ytimestään vapaan tasavirtamoottorin, sinun on huomioitava kummankin viestintäprotokollat. Tärkeimpiä protokollia ovat RS‑485 ja TTL/PWM‑viestintä. Valintasi vaikuttaa myös siihen, minkä tyyppistä moottoria voit käyttää.
RS‑485‑viestintä
RS‑485 on suosittu sarjaviestintäprotokolla, joka mahdollistaa laitteiden välisen nopean tiedonsiirron. Se on kestävä ja luotettu viestintästandardi, joka tarjoaa luotettavaa dataa pitkilläkin etäisyyksillä.
Progressive Automations tarjoaa PA‑12‑tarkan lineaarisen toimilaitteen, jota voidaan ohjata Arduino‑mikrokontrollerilla. Saatavilla on kuitenkin kaksi versiota: toinen käyttää rautaytimistä tasavirtamoottoria (PA‑12‑T) ja toinen ytimetöntä tasavirtamoottoria (PA‑12‑R).
Jos valitset ytimetön‑version, RS‑485‑viestintä on käytettävä. Protokolla on helppo toteuttaa käyttämällä TTL‑RS‑485‑muunninmoduulia kommunikointiin Arduinon kanssa. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää toista mikrokontrolleria, joka kommunikoi RS‑485:llä suoraan „laatikosta otettuna”.
TTL/PWM‑viestintä
PA‑12‑T‑lineaarista toimilaitetta voidaan ohjata suoraan Arduino‑mikrokontrollerilla TTL/PWM‑viestinnällä, mikä vähentää lisämuunninmoduulien tarvetta ja kustannuksia. Lineaarisessa toimilaitteessa on tarkka paikoituksensäätö jopa 100 µm tarkkuudella.
Kun huomioidaan aiemmin käsitellyt rautaytimisten ja ytimestään vapaiden tasavirtamoottoreiden edut ja haitat, paras ratkaisu riippuu sovelluksesta. Molemmat PA‑12‑lineaariset toimilaitteet tarjoavat tarkan paikoituksen, mutta niiden viestintäprotokollat eroavat.
Palaute
Keskeinen valintaperuste moottorityypille on se, haluatko liittää jonkinlaisen palautteen. Palaute tarkoittaa mitä tahansa tietoa, jota ohjain voi käyttää prosessin seurantaan ja korjausten tekemiseen. Tasavirtamoottoreissa yleisiä palautetyyppejä ovat esimerkiksi potentiometrit, Hall‑ilmiöön perustuvat anturit ja enkooderit.
Potentiometri muuttaa tasavirtamoottorin servomoottoriksi, mikä mahdollistaa tarkan sijainnin ja nopeuden hallinnan. Palautetyypit voidaan liittää sekä rautaytimiseen että ytimestään vapaaseen tasavirtamoottoriin, mutta on tärkeää pohtia vaihtoehtoja ja valita sovellukseen paras. Jos tarvitset korkeaa hyötysuhdetta ja suurta tarkkuutta, valitse ytimetön tasavirtamoottori, jossa on enkooderi luotettavana palautevaihtoehtona. Tämä vaihtoehto on kuitenkin melko kallis ja riippuu budjettirajoitteistasi.
Yhteenveto
Olemme tuoneet esiin rautaytimisten ja ytimestään vapaiden tasavirtamoottoreiden edut ja haitat sekä viestintäprotokollat ja palautevaihtoehdot. Progressive Automations tarjoaa valikoiman lineaarisia toimilaitteita, jotka sisältävät yhdistelmiä näistä toimilaitteista/laitteista/antureista.
Päätös riippuu monista tekijöistä, kuten siitä lineaarisen toimilaitteen spesifikaatioista, johon tasavirtamoottori on kytketty, hinnasta ja vaaditusta tarkkuudesta. Sovellus määrittää, millaista moottoria tarvitaan, ja moottori määrittää lineaarisen toimilaitteen spesifikaatiot. Lisätietoja Progressive Automationsin tuotteista tai lisätuen saamiseksi ota yhteyttä jo tänään.