Kefkový jednosmerný elektrický motor premieňa elektrickú energiu na mechanickú podľa Lorentzovho zákona, ktorý hovorí, že „vodič, ktorým preteká prúd, umiestnený v magnetickom poli, bude vystavený sile“. Túto silu možno využiť rôznymi spôsobmi, napríklad v Lineárnom aktuátore na premenu rotačného pohybu na priamočiary.
Progressive Automations ponúka rôzne lineárne aktuátory s jednosmerným motorom buď s jadrom, alebo bez jadra. Ktorý zvoliť a prečo? Skúmame rozdiely medzi motorom s jadrom a bez jadra z hľadiska konštrukcie, výhod a nevýhod. Ďalej sa venujeme prevádzke, komunikačným protokolom a spätnej väzbe rôznych motorov, aby ste sa vedeli informovane rozhodnúť.
Jednosmerný motor s jadrom
Jednosmerný kefkový motor s jadrom je najrozšírenejšou odrodou pre svoju nákladovú efektivitu pri výrobe vo veľkých množstvách. Motor s jadrom sa skladá z rotora (otáčajúci sa), statora (stacionárny), komutátora (zvyčajne s kefkami) a permanentných magnetov. Vinutia kotvy sú navyše navinuté okolo železného jadra a pripojené ku komutátoru.
Kefky, ktoré sa dotýkajú komutátora, sú vyrobené z grafitu/uhlíka, čo umožňuje, aby pripojený prúd pretekal do vinutí kotvy. Prúd vo vinutiach vytvára magnetické pole, ktoré interaguje so stacionárnymi magnetmi a generuje silu, ktorá roztočí železné jadro a tým aj hriadeľ motora.
Tieto motory sú ideálne na náročné aplikácie vďaka vysokému rozbehovému momentu a pevného železného jadra. Menej sa prehrievajú, pretože železné jadro pôsobí ako chladič. Medzi veľké aplikácie patria elektromobily, výťahy a čerpadlá. Medzi malé aplikácie patria modelové lokomotívy, elektrické zubné kefky a iné hračky.
Výhody
- Nákladovo efektívnejší.
- Vysoký rozbehový moment.
- Riadenie rýchlosti v širokom rozsahu napätí.
- Rýchly štart, zastavenie a spätný chod.
- Bez harmonických zložiek.
Nevýhody
- Nižšia elektrická účinnosť (približne 50 %).
- Vyššia náročnosť na údržbu kvôli opotrebovávaniu kefiek.
Jednosmerný motor bez jadra
Čo je motor bez jadra? Je podobný motoru s jadrom v tom, že má kefky a komutátor. Existujú aj bezkefkové varianty. Rozdiel je však v tom, že vinutia rotora sú navinuté šikmo (alebo voštinovo) tak, aby vytvorili samonosný dutý valec, ktorý je zvyčajne zaliaty epoxidom pre stabilitu.
Stator, ktorý sa nachádza vo vnútri dutého valca, je vyrobený zo vzácnozemného magnetu, napríklad neodýmu, AlNiCo (hliník-nikel-kobalt) alebo SmCo (samárium-kobalt). Kefky v motore bez jadra môžu byť z ušľachtilých kovov (napr. striebro, zlato alebo platina) alebo z grafitu. Drôtový valec rozkladá magnetické pole po celej štruktúre, keď sa na vývody pripojené ku kefkám a komutátoru privedie elektrický prúd, ktorý následne interaguje so vzácnozemným magnetom, vytvorí silu a roztočí hriadeľ.
Motory bez jadra otvárajú široké možnosti použitia v robotike. Medzi aplikácie patrí ich rozsiahle využitie v protézach, inzulínových pumpách, laboratórnych zariadeniach a röntgenových prístrojoch – všetky vyžadujú mimoriadne presné polohovanie.
Výhody
- Malé rozmery, nízka hmotnosť a kompaktná konštrukcia.
- Tichá prevádzka s nízkou hlučnosťou a vibráciami.
- Vysoká účinnosť (približne 90 %).
- Dlhšia životnosť vďaka menšej elektroerózii.
- Vysoké rýchlosti zrýchlenia a spomalenia.
- Lineárne charakteristiky rýchlosti a krútiaceho momentu uľahčujúce riadenie.
Nevýhody
- Podstatne drahší.
- Nedokáže zvládať tepelné preťaženia, keďže chýba železné jadro, ktoré by pôsobilo ako chladič vinutí rotora.
- Vyžaduje doplnkovú elektroniku (napr. dekódery).
Komunikačné protokoly
Ak volíte jednosmerný motor s jadrom alebo bez jadra, musíte zvážiť komunikačné protokoly pre každý z nich. Primárne komunikačné protokoly zahŕňajú RS-485 a komunikáciu TTL/PWM. Výber protokolu zároveň určí, aký typ motora môžete použiť.
Komunikácia RS-485
RS-485 je obľúbený sériový komunikačný protokol, ktorý poskytuje vysokorýchlostný prenos dát medzi zariadeniami. Ide o robustný a overený komunikačný štandard, schopný spoľahlivo prenášať dáta na veľké vzdialenosti.
Progressive Automations ponúka vysokopresný Lineárny aktuátor PA-12, ktorý možno riadiť pomocou mikrokontroléra Arduino. K dispozícii sú však dve verzie: jedna s jednosmerným motorom s jadrom (PA-12-T) a druhá s jednosmerným motorom bez jadra (PA-12-R).
Ak zvolíte verziu bez jadra, musí sa použiť komunikácia RS-485. Tento protokol sa dá jednoducho implementovať použitím modulu TTL na RS-485 na komunikáciu s Arduinom. Prípadne možno použiť iný mikrokontrolér, ktorý komunikuje cez RS-485 hneď po vybalení.
Komunikácia TTL/PWM
PA-12-T Lineárny aktuátor možno riadiť priamo mikrokontrolérom Arduino cez komunikáciu TTL/PWM, čím sa znižujú náklady na dodatočné prevodné komunikačné moduly. Lineárny aktuátor má presné riadenie polohy s presnosťou až 100um.
Vzhľadom na vyššie uvedené výhody a nevýhody motorov s jadrom a bez jadra bude najlepšie riešenie závisieť od aplikácie. Obe verzie PA-12 poskytujú presné riadenie polohy, avšak používajú odlišné komunikačné protokoly.
Spätná väzba
Kľúčovým faktorom pri výbere jednosmerného motora je rozhodnutie, či pripojiť nejakú formu spätnej väzby. Spätná väzba označuje všetky informácie, ktoré môže regulátor použiť na monitorovanie procesu a vykonávanie korekcií. V prípade jednosmerného motora sú bežnými typmi spätnej väzby potenciometre, Hallove snímače a enkodéry.
Potenciometer premieňa jednosmerný motor na servomotor, čo umožňuje presné riadenie polohy a rýchlosti. Typ spätnej väzby možno použiť pri motore s jadrom aj bez jadra, no je dôležité zvážiť rôzne možnosti, aby ste pre aplikáciu zvolili to najlepšie. Ak požadujete vysokú účinnosť a vysokú presnosť, zvoľte motor bez jadra s enkodérom ako spoľahlivou voľbou spätnej väzby. Táto možnosť je však pomerne nákladná a závisí od rozpočtových obmedzení.
Záver
Zdôraznili sme výhody a nevýhody jednosmerných motorov s jadrom aj bez jadra, ako aj komunikačné protokoly a možnosti spätnej väzby. Progressive Automations ponúka rôzne Lineárne aktuátory, ktoré využívajú kombináciu týchto aktuátorov/zariadení/snímačov.
Rozhodnutie závisí od mnohých faktorov, ako sú špecifikácie Lineárneho aktuátora, ku ktorému je jednosmerný motor pripojený, cena a požadovaná úroveň presnosti. Aplikácia určí potrebný motor a motor následne určí špecifikácie Lineárneho aktuátora. Ak chcete viac informácií o produktoch Progressive Automations alebo potrebujete ďalšiu podporu, kontaktujte nás ešte dnes.