Kärnmotorer vs. kärnlösa likströmsmotorer - vilken ska du välja?

En borstad likströmsmotor omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi med hjälp av Lorentz lag, som säger att "en strömförande ledare placerad i ett magnetfält kommer att uppleva en kraft”. Denna kraft kan användas på en mängd olika sätt, till exempel i ett linjärt ställdon för att omvandla rotationsrörelse till linjär rörelse.

Progressive Automations erbjuder en mängd olika linjära ställdon innehåller antingen en kärndriven eller kärnlös likströmsmotor, men vilken typ ska du välja och varför? Vi undersöker skillnaderna mellan en kärndriven och en kärnlös likströmsmotor genom att titta på deras konstruktion samt för- och nackdelar. Dessutom tittar vi på drift, kommunikationsprotokoll och feedback hos olika motorer för att du ska kunna fatta ett välgrundat beslut.

Kärnmotorer vs. kärnlösa likströmsmotorer: Jämförelsetabell sida vid sida

När man väljer en likströmsmotor är det avgörande att förstå skillnaderna mellan kärndrivna och kärnlösa likströmsmotorer. En tydlig jämförelse av likströmsmotorer hjälper ingenjörer och konstruktörer att balansera prestanda, effektivitet, kostnad och applikationskrav. Medan kärnlösa motorers effektivitet, precision och respons är övertygande fördelar, är fördelar med kärndrivna motorer, såsom vridmoment, hållbarhet och överkomliga priser, också praktiska aspekter att beakta. Tabellen nedan belyser de viktigaste skillnaderna för att hjälpa dig välja den lämpligaste motortypen för din applikation.

Kärnmotor med likström

En kärnmotor med borstad likström är den mest populära motorvarianten på grund av dess kostnadseffektivitet att tillverka och producera i stora volymer. En kärnmotor består av en rotor (roterande), stator (stationär), kommutator (vanligtvis borstad) och permanenta fältmagneter. Dessutom är ankarlindningar lindade runt järnkärnan och anslutna till kommutatorn.

Borstarna, som är i kontakt med kommutatorn, är tillverkade av grafit/kol, vilket gör att en ansluten ström kan passera genom och in i ankarlindningarna. Strömmen genom lindningarna producerar ett magnetfält som interagerar med de stationära magneterna och genererar en kraft som roterar järnkärnan och därigenom vrider motoraxeln.

Dessa motorer är idealiska för krävande tillämpningar tack vare sitt höga startmoment och sin styva järnkärna. De är mindre benägna att överhettas tack vare att järnkärnan fungerar som kylfläns. Storskaliga tillämpningar inkluderar elbilar, hissar och pumpar. Småskaliga tillämpningar inkluderar lokomotiv, eltandborstar och andra leksaker.

Fördelar

• Mer kostnadseffektivt.
• Högt startmoment.
• Hastighetsreglering över ett brett spänningsområde.
• Snabb start, stopp och reversering.
• Fri från övertoner.

Nackdelar

• Lägre elektrisk verkningsgrad (cirka 50 %).
• Högt underhållsbehov på grund av slitage på borstar.

Kärnlös likströmsmotor

Vad är en kärnlös motor? Den liknar en kärnlikströmsmotor genom att den har borstar och en kommutator. Det finns även borstlösa varianter. Skillnaden är dock att rotorns lindningar är lindade i ett snett (eller bikakeformat) sätt för att bilda en självbärande ihålig cylinder, som vanligtvis är epoxibelagd för stabilitet.

Statorn, som sitter inuti den ihåliga cylindern, är tillverkad av en sällsynt jordartsmagnet, såsom neodym, AlNiCo (aluminium-nickel-kobolt) eller SmCo (samarium-kobolt). Borstarna i en kärnlös motor kan vara tillverkade av ädelmetall (t.ex. silver, guld eller platina) eller grafit. Trådcylindern fördelar magnetfältet genom hela strukturen när en elektrisk ström appliceras på ledningarna som är anslutna till borstarna och kommutatorn, vilka samverkar med den sällsynta jordartsmagneten för att producera en kraft och rotera axeln.

Kärnlösa motorer öppnar upp för en mängd olika användningsmöjligheter inom robotteknik. Några tillämpningar inkluderar deras omfattande användning i proteser, insulinpumpar, laboratorieutrustning och röntgenapparater – alla kräver positionering med hög noggrannhet.

Fördelar

• Liten, lätt och kompakt design.
• Låg ljud- och vibrationsdrift.
• Mycket effektiv (cirka 90 %).
• Längre livslängd tack vare mindre elektroerosion.
• Höga accelerations- och retardationshastigheter.
• Linjära hastighets-/momentegenskaper möjliggör enklare styrning.

Nackdelar

• Betydligt dyrare.
• Klarar inte termiska överbelastningar eftersom det inte finns någon järnkärna som fungerar som kylfläns för rotorlindningarna.
• Kräver ytterligare elektronik (t.ex. avkodare).

Kommunikationsprotokoll

Om du väljer en kärnmotor med eller utan kärna måste du ta hänsyn till kommunikationsprotokollen för var och en. De primära kommunikationsprotokollen inkluderar RS-485 och TTL/PWM-kommunikation. Vilket du väljer avgör också vilken typ av motor du kan använda.

RS-485-kommunikation

RS-485-kommunikation är ett populärt seriellt kommunikationsprotokoll som möjliggör höghastighetsdataöverföring mellan enheter. Det är en robust och pålitlig kommunikationsstandard som kan tillhandahålla tillförlitlig data över långa avstånd.

Progressive Automations erbjuder det högprecisionslinjära ställdonet PA-12, som kan styras med en Arduino-mikrokontroller. Det finns dock två varianter, en med en kärndriven likströmsmotor (PA-12-T) och en annan med en kärnlös likströmsmotor (PA-12-R).

Om man väljer den kärnlösa varianten måste RS-485-kommunikation användas. Detta protokoll implementeras enkelt genom att använda en TTL till RS-485-modul för att kommunicera med Arduino. Alternativt kan en annan mikrokontroller användas, som kommunicerar via RS-485 direkt från lådan.

TTL/PWM-kommunikation

De PA-12-T Linjära ställdon kan styras direkt med en Arduino-mikrokontroller via TTL/PWM-kommunikation, vilket minskar kostnaden för ytterligare kommunikationsomvandlingsmoduler. Det linjära ställdonet har exakt positionskontroll med en noggrannhet på upp till 100 µm.

Med tanke på de tidigare diskuterade för- och nackdelarna med kärndrivna och kärnlösa likströmsmotorer beror den bästa lösningen på tillämpningen. Båda PA-12 linjära ställdonen ger noggrann positionskontroll, men kommunikationsprotokollen är olika.

Feed-back

En viktig faktor för att avgöra vilken likströmsmotor man ska välja är att avgöra om man ska använda någon form av återkoppling. Återkoppling avser all information som en styrenhet kan använda för att övervaka en process och göra korrigeringar. Till exempel, när det gäller en likströmsmotor är potentiometrar, halleffektsensorer och kodare vanliga typer av återkoppling.

En potentiometer omvandlar en likströmsmotor till en servomotor, vilket möjliggör exakt positions- och hastighetskontroll. Denna typ av återkoppling kan tillämpas på en kärnad eller kärnlös likströmsmotor, men det är viktigt att överväga de olika återkopplingsalternativen för att fatta det bästa beslutet som passar tillämpningen. Om du behöver hög effektivitet och hög noggrannhet, välj en kärnlös likströmsmotor med en pulsgivare som ett pålitligt återkopplingsalternativ. Detta alternativ är dock ganska dyrt och beror på dina budgetbegränsningar.

Vanliga frågor: Kärnmotorer vs. kärnlösa likströmsmotorer

Vad är skillnaden mellan en kärndriven och en kärnlös likströmsmotor?
En kärndriven likströmsmotor använder en järnkärna lindad med kopparlindningar som rotor, medan en kärnlös likströmsmotor har rotorns lindningar lindade på ett snedvridet (eller bikakeformat) sätt för att bilda en självbärande ihålig cylinder.

Är kärnlösa likströmsmotorer effektivare än kärnmotorer?
Ja, kärnlösa likströmsmotorer är vanligtvis mer effektiva. Avsaknaden av en järnkärna minskar magnetiska förluster, vilket möjliggör bättre energieffektivitet, lägre värmeutveckling och förbättrad prestanda i applikationer som kräver frekventa starter, stopp eller exakt hastighetsreglering.

Vilken likströmsmotor är bäst för högprecisionsapplikationer?
Kärnlösa likströmsmotorer är generellt sett det bättre valet för högprecisionstillämpningar. Deras låga tröghetsmoment möjliggör snabb acceleration och retardation, jämnare rörelse och mer exakt hastighets- och positionskontroll.

Överhettas kärnlösa likströmsmotorer snabbare än kärnmotorer?
Kärnlösa likströmsmotorer är mer benägna att överhettas och är mindre kapabla att hantera termiska överbelastningar, eftersom det inte finns någon järnkärna som fungerar som kylfläns för rotorlindningarna.

När ska jag välja en motor med kärna istället för en motor utan kärna?
En kärndriven likströmsmotor är det bättre alternativet när högre startmoment, enkel drift och kostnadseffektivitet är prioriterat.

Slutsats

Vi har lyft fram för- och nackdelarna med kärnmotorer och likströmsmotorer utan kärna, samt kommunikationsprotokoll och återkopplingsalternativ. Progressive Automations erbjuder en mängd olika linjära ställdon som innehåller en blandning av dessa ställdon/enheter/sensorer.

Beslutet beror på många faktorer, såsom specifikationerna för det linjära ställdon som likströmsmotorn är kopplad till, priset och den noggrannhetsnivå som krävs. Applikationen avgör vilken motor som behövs, och motorn avgör specifikationerna för det linjära ställdonet. För mer information om Progressive Automations produkter eller för ytterligare support, kontakta oss i dag.