Stejnosměrné elektromotory jsou některé z nejdůležitějších vynálezů, na které moderní svět velmi spoléhal. Tyto motory se používají v domácích spotřebičích, elektrickém nářadí, dronech, systémech chlazení PC, robotice a elektrických vozidlech.
Dva z nejběžnějších stejnosměrných elektromotorů, které se dnes používají, jsou kartáčované a bezkomutátorové stejnosměrné motory. Oba motory mají stejnou základní myšlenku použití elektromagnetismu k zajištění mechanické rotace. Ale s různými konstrukčními koncepcemi mají kartáčované a bezkomutátorové motory své rozdíly ve výkonu, ceně a údržbě.
Jaká konstrukce motoru je tedy lepší – kartáčovaný nebo bezkartáčový?
Jak funguje stejnosměrný elektromotor?
Elektromotory přeměňují elektřinu na mechanickou energii. Dělají to tak, že umožňují průchod elektřiny měděným vinutím a vytvářejí elektromagnetické pole který vybudí permanentní magnety uvnitř motoru, což způsobí, že se rotor pohybuje a vytváří mechanické energie.
Přestože kartáčové i bezkomutátorové motory mají stejný cíl přeměny elektřiny na mechanickou energii, jejich konstrukce se liší. Abychom pochopili jejich rozdíl, promluvme si o konstrukci motoru, počínaje kartáčovaným motorem.
Kartáčovaný design motoru
Kartáčované motory se vyrábějí již více než století. Je známo, že mají zjednodušený design využívající pár uhlíkových kartáčů k dodávání energie do motoru. Kartáčované motory budou mít vždy čtyři hlavní části, a to:
- Stator: Stacionární část motoru. Obsahuje permanentní magnety, které umožňují pohyb rotoru.
- Rotor: Rotující část motoru. Obsahuje měděnou cívku, která při napájení dělá měděnou cívku elektromagnetickou.
- Komutátor: Kovový kroužek, který zajišťuje, že se rotor neustále otáčí přepólováním pro každou polovinu otáčky rotoru.
- Kartáče: Stacionární část vyrobená z uhlíku přímo připojená ke svorkám napájecího zdroje. Předávají energii do kruhu komutátoru, který pak aktivuje rotor.
Kartáčovaný motor používá kartáče k elektrickému napájení motoru, přičemž umožňuje otáčení rotoru i komutátoru. Rotor se skládá z měděných vinutí, která se po napájení v podstatě stávají elektromagnetem.
Co se tedy stane, když se dva magnety přiblíží k sobě?
No, v závislosti na vyrovnání magnetických pólů se budou buď přitahovat, nebo odpuzovat. Cílem kartáčovaného motoru je využít přitažlivost a odpuzování k otáčení motoru. Zde se komutátor stává užitečným.
Komutátor je kovový kroužek ve středu rotoru, který přepíná magnetický pól rotoru každých 180 stupňů. To účinně zajišťuje, že magnetický pól rotoru je vždy vyrovnán se stejným magnetickým pólem statoru, což způsobuje odpuzování.
Výsledek? Kontinuální mechanické rotace mají dostatečnou sílu k napájení vašeho mixéru (nebo čehokoli, co používá kartáčovaný motor).
Design bezkomutátorového motoru
Bezkomutátorové motory začaly získávat na popularitě v 80. letech, kdy se tranzistory staly běžnějšími v elektronice. Mít snadno dostupné pevné složky hrál velkou roli při výrobě bezkomutátorových motorů použitelných pro elektrické nářadí, domácí spotřebiče a elektroniku. Jejich složitý, ale účinný design poskytuje bezkomutátorovým motorům větší točivý moment než jejich kartáčované protějšky.
Konstrukce bezkomutátorového motoru využívá několik základních částí. Zahrnovaly by:
- Stator: Stacionární část motoru. Obsahuje několik měděných cívek, které se po napájení stanou aktivním magnetem.
- Rotor: Rotující část motoru. Obsahuje permanentní magnety, které se otáčejí vlivem elektromagnetického pole mezi statorem a rotorem.
- Hallův senzor: Senzor, který detekuje, které cívky jsou pod napětím a které ne.
- Řídicí obvod: Elektronický obvod určený k rozhodování, které cívky uvnitř statoru se mají napájet.
Jak název napovídá, bezkomutátorové motory nepoužívají k napájení motoru kartáče. Bezkomutátorové motory také nemají komutátory s proudem. Místo toho používá snímač Hallova efektu a řídicí obvod, aby bylo zajištěno, že protilehlé magnetické póly statoru a rotoru jsou vždy vyrovnány. Další věc, kterou zjistíte, je to, že stator obsahuje měděné vinutí, zatímco rotor obsahuje permanentní magnety.
Bezkomutátorový motor v zásadě funguje stejně jako kartáčový motor: využívá rozdíly v magnetických pólech k pohybu rotoru, což vytváří rotaci a točivý moment.
Ale bez kartáčů a komutátorů, jak mohou měděná vinutí získat energii?
Jednoduché, měděné vinutí uděláte stacionární. U stacionárních měděných vinutí již nejsou potřeba kartáče, protože cívky můžete napájet přímo pomocí vodičů.
Pokud jde o komutátory, bezkomutátorový motor využívá snímač Hallova jevu a řídicí obvod. Hallův snímač je plochý kruhový snímač umístěný vedle měděných vinutí statoru. Protože stator obsahuje několik cívek, Hallův senzor může detekovat, zda je jedna z těchto cívek pod napětím nebo ne.
Vyrobeno pomocí Sketchupu
Senzor pak předá svůj údaj řídicímu obvodu a rozhodne, které cívky se mají napájet. Pokud se tedy permanentní magnety rotoru dostanou do blízkosti přitahovacích magnetických pólů, řídicí obvod přestane napájet tyto cívky a nabudí další cívku, která přitahuje permanentní magnety rotoru. Řídicí obvod také nabudí cívky před permanentními magnety, což způsobí odpuzování a přidá ještě větší točivý moment k rotaci.
Výhody a nevýhody kartáčových a bezkomutátorových motorů
S rozdíly v konstrukci motoru budou mít jak kartáčované, tak bezkomutátorové motory klady a zápory. Zde je tabulka, která vám pomůže pochopit jejich silné a slabé stránky:
| Kartáčovaný motor | Bezkartáčový motor | |
|---|---|---|
| Životnost | Krátký | Dlouho |
| Akcelerace | Střední | Vysoký |
| Účinnost | Střední | Vysoký |
| Točivý moment | Střední | Vysoký |
| Akustika | Hlučný | Klid |
| Náklady | Levný | Drahé (s řídicím obvodem) |
Měli byste si koupit hardware s kartáčovaným nebo bezkomutátorovým motorem?
Jak můžete vidět v tabulce, bezkomutátorové motory jsou ve všech směrech lepší (kromě nákladů) než jejich kartáčovaný protějšek. Poskytují vyšší točivý moment, rychlejší zrychlení rychlosti, nižší hluk a vyšší účinnost a jsou odolnější.
Když tedy dostanete příležitost koupit si nové elektrické nářadí, kuchyňský spotřebič, dron nebo cokoli, co potřebuje motor, je obecně lepší volbou položky s bezkomutátorovým motorem.
Měly by tedy být kartáčované motory zastaralé?
No, ne. Zejména proto, že bezkomutátorový motor (plus řídicí obvod) bude stát podstatně více než položka využívající kartáčový motor. A ačkoli je bezkomutátorový motor lepší než jeho kartáčovaný protějšek, neznamená to, že kartáčovaný motor je špatný. Ve skutečnosti je kartáčovaný motor hodně dobrý. S kartáčovaným motorem můžete dosáhnout stejných úkolů jako lidé s bezkomutátorovým.
Obecně jsou bezkomutátorové motory ideálními motory uvnitř vašeho nářadí a vybavení. Existují však také situace, kdy budete chtít místo toho použít kartáčované motory. Tyto situace by zahrnovaly:
- Když se motor krátkodobě používá (např. mixér, elektricky ovládaná sedadla a stěrače čelního skla)
- Když se nástroj/spotřebič stane užitečným jen několikrát do roka
- Když úkol nevyžaduje velký točivý moment (např. hračky, větrací otvory)
- V extrémních provozních podmínkách. Kartáčované motory nepotřebují senzory nebo řídicí obvody, které mohou selhat v extrémních povětrnostních podmínkách
Chytré nákupy
Nyní, když chápete rozdíl mezi kartáčovými a bezkomutátorovými motory, doufejme, že vám to usnadní chytrý nákup při nákupu kuchyňských spotřebičů, nářadí a vybavení. To by také mělo vysvětlovat, proč jsou některé položky dražší než jejich protějšky, přestože pocházejí od stejné značky, mají stejné vlastnosti a používají stejný tvarový faktor. Pamatujte si, že to, že si můžete koupit prémiový předmět pomocí bezkomutátorového motoru, nemusí vždy znamenat, že je to chytrá věc.