Motores com escovas e sem escovas: operação, construção e aplicações

Os motores elétricos se tornaram uma grande parte de nossas vidas. Eles são encontrados em todos os tipos de dispositivos, de carros elétricos a drones, robôs e outros dispositivos eletrônicos. Em termos gerais, um motor elétrico é um dispositivo que converte energia elétrica em energia mecânica. Eles são geralmente referidos como o oposto exato dos geradores, pois operam em princípios semelhantes e podem, teoricamente, ser convertidos em geradores. Eles são essencialmente usados ​​em situações onde o movimento rotacional é necessário e encontram aplicações em eletrodomésticos (motores de vibração), robôs, equipamentos médicos, brinquedos e muito mais.

Os motores elétricos podem ser categorizados em duas grandes categorias com base no tipo de fonte de alimentação usada para eles: Motores CA e Motores CC. Como o nome indica, os motores CA são alimentados genericamente com fontes de alimentação CA (monofásica ou trifásica) e são usados ​​principalmente em aplicações industriais e de serviço pesado, onde é necessário muito torque. Os motores DC (que são nosso foco hoje), por outro lado, são geralmente menores e são usados ​​em aplicações baseadas em bateria (ou plugados em fontes DC) onde significativamente menos trabalho é necessário em comparação com os motores AC. Eles encontram aplicativos em vários dispositivos, desde dispositivos do dia-a-dia, como tesouras de barbear, até brinquedos para crianças, robôs e drones, entre outros.

O requisito para motores CC difere de uma aplicação para outra, pois uma aplicação pode exigir mais torque e reduzir a velocidade, enquanto outra pode exigir mais velocidade e torque reduzido, portanto, os motores CC às vezes são classificados pelo pessoal de vendas com base nisso. No entanto, os motores DC podem ser classificados em três categorias ou tipos diferentes, incluindo;

1. Motor DC Escovado
2. Motores DC sem escova
3. Servo Motors.

Para o artigo de hoje, nosso foco será nos motores DC sem escova e escovado, conforme examinamos a diferença entre eles nas linhas de princípio de operação, construção, aplicações, vantagens e desvantagens. Para o terceiro tipo, você pode ler o artigo detalhado do Servo Motor.

Princípio de Operação e Construção

A operação de todos os motores é geralmente baseada em dois princípios que são ; Lei de Ampères e lei de Faraday. A primeira lei afirma que um condutor elétrico colocado em um campo magnético experimentará uma força se qualquer corrente fluindo através do condutor tiver um componente perpendicular a esse campo. O segundo princípio afirma que se um condutor é movido através de um campo magnético, então qualquer componente do movimento perpendicular a esse campo irá gerar uma diferença de potencial entre as extremidades do condutor.

Com base nessas leis, os motores elétricos são compostos por duas partes principais; Um ímã permanente e um monte de condutores enrolados em uma bobina. Ao aplicar eletricidade à bobina, ela se torna um ímã e com base no fato de que os ímãs se repelem em pólos semelhantes e se atraem em pólos diferentes, um movimento de rotação é alcançado.

Motor DC Escovado

O motor DC com escova é conhecido por ser um dos motores mais antigos e simples, pois implementa as leis descritas acima da maneira mais simples. Conforme descrito na imagem abaixo, a construção de um motor DC escovado compreende um estator fixo feito de um ímã permanente e uma armadura móvel (Rotor) em que componentes como o comutador, escovas e anel bipartido são colocados em torno do motor eixo.

Quando a energia é fornecida ao motor (através da bateria ou através de uma fonte AC para DC conectada), a eletricidade flui da fonte para a armadura através das escovas que geralmente estão localizadas em lados opostos do eixo do motor. As escovas (cuja presença no projeto é um fator importante por trás do nome do motor), transferem corrente elétrica para a armadura por meio do contato físico com o comutador. Assim que a armadura (a bobina de fio) é energizada, ela passa a se comportar como um ímã e, nesse ponto, seus pólos passam a repelir os pólos do ímã permanente que compõe o estator. À medida que os pólos se repelem, o eixo do motor ao qual a armadura está fixada começa a girar com uma velocidade e torque que depende da força do campo magnético ao redor da armadura.

A força do campo magnético é geralmente uma função da voltagem aplicada nas escovas e da força do ímã permanente usado para o estator.

Motores DC sem escova

Embora usem o mesmo princípio do eletromagnetismo, os motores sem escova, por outro lado, são mais complexos. Eles são resultado direto dos esforços feitos para melhorar a eficiência dos motores DC escovados e podem ser descritos simplesmente como motores que não adotam o uso de escovas para a comutação. No entanto, a natureza simplista dessa descrição dá lugar a questões sobre como o motor é alimentado e como o movimento é alcançado sem escovas que tentarei explicar.

Ao contrário da construção dos motores com escovas, nos motores sem escovas as coisas são invertidas. A armadura que, no caso do motor com escovas, gira dentro do estator, é estacionária nos motores sem escovas e o ímã permanente, que nos motores com escovas é fixo, serve de rotor em um motor sem escovas. Simplificando, o estator para motores CC sem escovas é feito de bobinas, enquanto seu rotor (ao qual o eixo do motor está conectado) é feito de um ímã permanente.

Uma vez que o motor sem escovas elimina o uso de escovas para fornecer energia à armadura, a comutação (comutação) se torna mais complexa e é realizada eletronicamente usando um conjunto adicional de componentes eletrônicos (como um amplificador acionado por um componente de comutação como um codificador óptico) para obter movimento. Os algoritmos de comutação para motores DC sem escova podem ser divididos em dois; Comutação baseada em sensor e sem sentido.

Na comutação baseada em sensor, os sensores (por exemplo, sensor Hall) são colocados ao longo dos pólos do motor para fornecer feedback ao circuito de controle para ajudá-lo a estimar a posição do rotor. Existem três algoritmos populares empregados para a comutação baseada em sensor;

1. Comutação trapezoidal
2. Comutação sinusoidal
3. Controle vetorial (ou orientado para o campo).

Cada um desses algoritmos de controle tem seus prós e contras e os algoritmos podem ser implementados de diferentes maneiras, dependendo do software e do projeto do hardware eletrônico para fazer as alterações necessárias.

Na comutação sem sensores, por outro lado, em vez de sensores serem colocados dentro dos motores, o circuito de controle é projetado para medir o EMF traseiro para estimar a posição do rotor.

Este algoritmo tem um bom desempenho e custo reduzido, pois o custo dos sensores Hall é eliminado, mas sua implementação é muito mais complexa em comparação com os algoritmos baseados em sensores.

Vantagens e Desvantagens

Em motores DC com escova, as escovas estão em contato constante com o comutador rotativo. Isso leva à geração de uma quantidade considerável de atrito e isso, por sua vez, leva à perda de energia para o calor e ao desgaste gradual das escovas. Assim, os motores DC escovados têm baixa eficiência e requerem manutenção periódica. Isso cria muito atrito, e o atrito é igual ao calor (perda de energia) e ao desgaste. Por outro lado, as CC sem escova são essencialmente sem atrito e, portanto, têm uma eficiência realmente alta, exigem manutenção zero e duram mais do que os motores CC com escova.

No entanto, os motores DC com escova são muito baratos em comparação com os motores sem escova devido à natureza simples de seu design. Os motores CC sem escova, por outro lado, são bastante caros devido ao seu design complexo e ao custo extra dos componentes eletrônicos adicionais (controladores) necessários para acioná-los.

Formulários

Embora os motores DC sem escova sejam mais populares atualmente, os motores DC com escova ainda são usados ​​nos eletrodomésticos do dia-a-dia, brinquedos infantis e em aplicações industriais devido à facilidade com que sua relação velocidade / torque pode ser variada. Devido ao seu baixo custo, eles são usados ​​em aplicações onde o dispositivo host pode falhar antes dos motores.

Já os motores DC sem escova têm encontrado aplicações em todos os tipos de dispositivos, desde equipamentos médicos, robôs e drones até carros elétricos, ferramentas elétricas, etc. Eles são essencialmente usados ​​em aplicações que requerem alta eficiência, longevidade e valem o custo.

Fatores a serem considerados ao selecionar entre os motores DC sem escova e escovados

Além de velocidade, torque, potência nominal e outros requisitos básicos para sua aplicação abaixo, são três fatores que acho que também podem ser considerados ao tomar uma decisão sobre o tipo de motor a ser implantado em sua aplicação.

1. Ciclo de trabalho / vida útil
2. Eficiência
3. Controle / Atuação
4. Custo

Ciclo de trabalho / vida útil

A vida útil descreve por quanto tempo o motor deve operar antes de falhar e em que ciclo de trabalho. Isso é importante porque o motor DC com escova, conforme mencionado anteriormente, é suscetível ao desgaste devido ao atrito entre as escovas e o comutador. Portanto, é importante garantir que a aplicação seja aquela em que o motor funcionará durante toda a vida útil ou uma aplicação em que a manutenção do motor seja considerada normal e barata se motores CC com escovas forem usados. Um bom exemplo disso são os brinquedos infantis, em que os brinquedos são geralmente jogados fora ou danificados antes que o motor se desgaste. Em aplicações com longa vida útil e a manutenção do motor não é uma opção viável, os motores CC sem escovas geralmente são a opção inteligente.

Eficiência

Geralmente, os motores DC sem escova têm uma eficiência geral mais alta em comparação com os motores DC com escova, mas tem havido casos de motores sem escova com núcleo sem ferro com eficiência superior em comparação com motores sem escova equivalentes. No entanto, é importante avaliar a eficiência geral exigida e compará-la com a de cada motor antes de tomar uma decisão. Na maioria dos casos em que a eficiência é o fator decisivo, os motores CC sem escovas geralmente vencem.

Controle / Atuação

Este é geralmente um dos maiores contratempos quando se trata do uso de motores CC sem escovas. Os requisitos adicionais, como controladores etc., tornam a atuação mais complexa em comparação com os motores DC com escova, que podem ser métodos alimentados / atuados tão triviais quanto conectar uma bateria em seus terminais. Você deve garantir que a quantidade de complexidade envolvida com o uso de um motor DC sem escovas para o projeto seja justificada e os componentes eletrônicos de suporte, como os controladores, estejam prontamente disponíveis. Independentemente da simplicidade dos motores DC com escova, às vezes eles não são adequados para aplicações de alta precisão. Enquanto o motor Brushed DC pode ser facilmente conectado ao controlador como o Arduino, é muito complexo conectar um BLDC com o Arduino Uno, no entanto o ESC (controlador eletrônico de velocidade) facilita a interface de um BLDC com um microcontrolador.

Custo

A complexidade do projeto dos motores DC sem escova torna-os realmente caros quando comparados aos motores DC com escova. Certifique-se de que os custos extras estejam dentro dos limites acessíveis para o projeto antes de optar por motores CC sem escovas. Considere também o custo dos outros acessórios necessários para o uso de BLDCs antes de tomar uma decisão.