Een geborstelde DC-motor zet elektrische energie om in mechanische energie volgens de wet van Lorentz, die stelt dat “een stroomvoerende geleider die zich in een magnetisch veld bevindt, een kracht zal ondervinden”. Deze kracht kan op verschillende manieren worden benut, bijvoorbeeld in een lineaire actuator om rotatie om te zetten in lineaire beweging.
Progressive Automations biedt een reeks lineaire actuatoren met een DC-motor met kern of een kernloze DC-motor, maar welk type moet u kiezen en waarom? We onderzoeken de verschillen tussen een motor met kern en een kernloze DC-motor door te kijken naar hun opbouw en voor- en nadelen. Daarnaast bekijken we de werking, communicatieprotocollen en terugkoppeling van verschillende motoren, zodat u een weloverwogen keuze kunt maken.
DC-motor met kern
Een DC-motor met kern en borstels is de populairste variant omdat hij kostenefficiënt in grote volumes te produceren is. Een motor met kern bestaat uit een rotor (roterend), stator (stationair), commutator (meestal met borstels) en permanente veldmagneten. Daarnaast zijn de ankerwikkelingen rond de ijzeren kern gewikkeld en verbonden met de commutator.
De borstels, die contact maken met de commutator, zijn van grafiet/koolstof, waardoor de aangesloten stroom door de ankerwikkelingen kan lopen. De stroom door de wikkelingen wekt een magnetisch veld op dat met de stationaire magneten interageert en een kracht genereert, waardoor de ijzeren kern draait en daarmee de motoras wordt aangedreven.
Deze motoren zijn ideaal voor veeleisende toepassingen dankzij hun hoge aanloopkoppel en stijve ijzeren kern. Ze raken minder snel oververhit doordat de ijzeren kern als koellichaam fungeert. Toepassingen op grote schaal zijn onder meer elektrische auto’s, liften en pompen. Kleinschalige toepassingen zijn onder andere modeltreinen, elektrische tandenborstels en ander speelgoed.
Voordelen
- Kostenefficiënter.
- Hoog aanloopkoppel.
- Snelheidsregeling over een breed spanningsbereik.
- Snel starten, stoppen en omkeren.
- Vrij van harmonischen.
Nadelen
- Lagere elektrische efficiëntie (ongeveer 50%).
- Veel onderhoud door slijtage van de borstels.
Kernloze DC-motor
Wat is een kernloze motor? Hij lijkt op een DC-motor met kern, omdat hij borstels en een commutator heeft. Er bestaan ook borstelloze varianten. Het verschil is echter dat de rotorwikkelingen in een scheef (of honingraat) patroon zijn gewikkeld tot een zelfdragende holle cilinder, die doorgaans met epoxy voor stabiliteit wordt afgewerkt.
De stator, die binnen in de holle cilinder zit, bestaat uit een zeldzame-aardemagneet, zoals neodymium, AlNiCo (aluminium-nikkel-kobalt) of SmCo (samarium-kobalt). De borstels in een kernloze motor kunnen van edelmetaal (bijv. zilver, goud of platina) of van grafiet zijn. De draadcilinder verdeelt het magnetische veld over de gehele structuur wanneer elektrische stroom wordt aangelegd op de aansluitdraden die met de borstels en commutator zijn verbonden; dit interageert met de zeldzame-aardemagneet om een kracht op te wekken en de as te laten draaien.
Kernloze motoren openen talloze mogelijkheden in de robotica. Enkele toepassingen zijn hun ruime inzet in protheses, insulinepompen, laboratoriumapparatuur en röntgenapparaten – allemaal met hoge positioneringsnauwkeurigheid.
Voordelen
- Klein, licht en compact ontwerp.
- Stille werking met weinig geluid en trillingen.
- Zeer efficiënt (ongeveer 90%).
- Langere levensduur door minder elektro-erosie.
- Hoge versnelling en vertraging.
- Lineaire snelheids-/koppelkarakteristieken, waardoor de regeling eenvoudiger is.
Nadelen
- Aanzienlijk duurder.
- Kan geen thermische overbelasting aan, omdat er geen ijzeren kern is die als koellichaam voor de rotorwikkelingen fungeert.
- Vereist extra elektronica (bijv. decoders).
Communicatieprotocollen
Als u kiest voor een DC-motor met of zonder kern, moet u de communicatieprotocollen voor elk type in overweging nemen. De primaire communicatieprotocollen zijn RS-485 en TTL/PWM-communicatie. Uw keuze bepaalt ook welk type motor u kunt gebruiken.
RS-485-communicatie
RS-485-communicatie is een populair serieel communicatieprotocol dat hoge datasnelheden tussen apparaten mogelijk maakt. Het is een robuuste, beproefde communicatiestandaard die betrouwbare data over langere afstanden kan leveren.
Progressive Automations biedt de PA-12 hoogprecisie-lineaire actuator, die met een Arduino-microcontroller kan worden aangestuurd. Er zijn echter twee varianten: één met een DC-motor met kern (PA-12-T) en een andere met een kernloze DC-motor (PA-12-R).
Als u voor de kernloze variant kiest, moet RS-485-communicatie worden gebruikt. Dit protocol is eenvoudig te implementeren door een TTL-naar-RS-485-module te gebruiken om met de Arduino te communiceren. Alternatief kan een andere microcontroller worden gebruikt die direct uit de doos via RS-485 communiceert.
TTL/PWM-communicatie
De PA-12-T lineaire actuator kan direct met een Arduino-microcontroller worden aangestuurd via TTL/PWM-communicatie, waardoor de kosten van extra conversiemodules voor communicatie dalen. De lineaire actuator heeft een precieze positieregeling met een nauwkeurigheid tot 100um.
Afhankelijk van de eerder besproken voor- en nadelen van DC-motoren met en zonder kern, hangt de beste oplossing af van de toepassing. Beide PA-12 lineaire actuatoren bieden nauwkeurige positieregeling, maar de communicatieprotocollen verschillen.
Terugkoppeling
Een belangrijke factor om te bepalen voor welke DC-motor u kiest, is of u een vorm van terugkoppeling wilt toevoegen. Terugkoppeling verwijst naar alle informatie die een controller kan gebruiken om een proces te bewaken en te corrigeren. Bij een DC-motor zijn potentiometers, Hall-effect-sensoren en encoders bijvoorbeeld gangbare vormen van terugkoppeling.
Een potentiometer verandert een DC-motor in een servomotor, waardoor precieze positie- en snelheidsregeling mogelijk is. Het type terugkoppeling kan worden toegepast op een DC-motor met of zonder kern, maar het is essentieel om de verschillende opties voor terugkoppeling te overwegen om de beste keuze voor de toepassing te maken. Als u hoge efficiëntie en hoge nauwkeurigheid nodig hebt, kies dan voor een kernloze DC-motor met een encoder als betrouwbare optie voor terugkoppeling. Deze optie is echter vrij kostbaar en hangt af van uw budget.
Conclusie
We hebben de voor- en nadelen van DC-motoren met en zonder kern, evenals de communicatieprotocollen en opties voor terugkoppeling, uitgelicht. Progressive Automations biedt een verscheidenheid aan lineaire actuatoren met een mix van deze actuatoren/apparaten/sensoren.
De keuze hangt af van veel factoren, zoals de specificaties van de lineaire actuator waarop de DC-motor is aangesloten, de prijs en de vereiste nauwkeurigheid. De toepassing bepaalt welke motor nodig is, en de motor bepaalt de specificaties van de lineaire actuator. Voor meer informatie over de producten van Progressive Automations of voor extra ondersteuning, neem dan contact met ons op.