עקרון הפעולה של מנוע DC ללא מברשות (BKDP) ידוע כבר זמן רב מאוד, ומנועים ללא מברשות היו תמיד אלטרנטיבה מעניינת לפתרונות מסורתיים. למרות זאת, מכונות חשמליות כאלה מצאו שימוש נרחב בטכנולוגיה רק במאה ה-21. הגורם המכריע ביישום הנרחב היה ההפחתה המרובה בעלות האלקטרוניקה לבקרת הכונן של BDKP.
תוֹכֶן
- בעיות מוטוריות של אספנים
- עקרון הפעולה של BDKP
- יישום ונקודות מבט מודרניות
בעיות מוטוריות של אספנים
ברמה הבסיסית, תפקידו של כל מנוע חשמלי הוא להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. ישנן שתי תופעות פיזיקליות עיקריות העומדות בבסיס התכנון של מכונות חשמליות:
-
שדות חשמליים ומגנטיים מחוברים זה לזה. כלומר, כל מטען נע יוצר שדה מגנטי ובהתאם לכך, שדות מגנטיים מסוגלים לייצר הפרש פוטנציאל. - המגנטים מקיימים אינטראקציה זה עם זה. העבודה של כל המנועים החשמליים מבוססת על אינטראקציה של מגנטים. חלקם קבועים, אחרים הם סליל שבו שדה מגנטי מושרה על ידי מעבר דרך לולאות של זרם חשמלי.
המנוע מתוכנן כך שהשדות המגנטיים הנוצרים על כל אחד מהמגנטים תמיד מקיימים אינטראקציה זה עם זה, מה שמעניק לרוטור סיבוב. למנוע DC מסורתי יש ארבעה חלקים עיקריים:
- סטטור (אלמנט נייח עם טבעת של מגנטים);
- אבזור (אלמנט מסתובב עם פיתולים);
- מברשות פחמן;
- אַסְפָן.
עיצוב זה מספק את הסיבוב של האבזור והאספן על אותו פיר ביחס למברשות הנייחות. הזרם זורם מהמקור דרך המברשות עמוסות קפיצים למגע טוב עם הקומוטטור, המחלק את החשמל בין פיתולי האבזור. השדה המגנטי המושרה באחרון מקיים אינטראקציה עם מגנטי הסטטור, מה שגורם לסיבוב הסטטור.
החיסרון העיקרי של המנוע המסורתי הוא שלא ניתן להשיג מגע מכני על המברשות ללא חיכוך. ככל שהמהירות עולה, הבעיה באה לידי ביטוי חזק יותר. מכלול הסעפת נשחק עם הזמן והוא גם נוטה לקשתות ויכול ליינן את האוויר שמסביב. לפיכך, למרות הפשטות והעלות הנמוכה לייצור, למנועים חשמליים כאלה יש כמה חסרונות שאי אפשר להתגבר עליהם:
- בלאי מברשות;
- הפרעות חשמליות עקב קשתות;
- הגבלת מהירות מרבית;
- קשיים בקירור אלקטרומגנט מסתובב.
הופעת טכנולוגיית המעבד וטרנזיסטורי הספק אפשרה למעצבים לנטוש את יחידת המיתוג המכאנית ולשנות את תפקיד הרוטור והסטטור במנוע חשמלי DC.
עקרון הפעולה של BDKP
במנוע חשמלי ללא מברשות, בניגוד לקודמו, ממיר אלקטרוני ממלא תפקיד של מתג מכני. זה מאפשר לבצע את ערכת ה"הפוך מבפנים החוצה" של BDKP - הפיתולים שלו ממוקמים על הסטטור, מה שמבטל את הצורך בקולט.
במילים אחרות, ההבדל המהותי העיקרי בין המנוע הקלאסי ל-BDKP הוא שבמקום מגנטים נייחים וסלילים מסתובבים, האחרון מורכב מפיתולים נייחים ומסתובבים מגנטים. למרות העובדה שהמיתוג עצמו בו מתרחש באופן דומה, היישום הפיזי שלו בכוננים ללא מברשות הוא הרבה יותר מסובך.
הבעיה העיקרית היא השליטה המדויקת של המנוע ללא מברשות, בהנחה שהרצף והתדירות הנכונים של החלפת חלקים בודדים של הפיתולים. בעיה זו ניתנת לפתרון באופן קונסטרוקטיבי רק אם ניתן לקבוע ברציפות את המיקום הנוכחי של הרוטור.
הנתונים הנדרשים לעיבוד על ידי האלקטרוניקה מתקבלים בשתי דרכים.:
- זיהוי המיקום המוחלט של הפיר;
- על ידי מדידת המתח המושרה בפיתולי הסטטור.
כדי ליישם בקרה בדרך הראשונה, לרוב נעשה שימוש בזוגות אופטיים או בחיישני הול המקושרים לסטטור, המגיבים לשטף המגנטי של הרוטור. היתרון העיקרי של מערכות כאלה לאיסוף מידע על מיקום הפיר הוא הביצועים שלהן גם במהירויות נמוכות מאוד ובמנוחה.
בקרה ללא חיישן להערכת המתח בסלילים דורשת לפחות סיבוב רוטור מינימלי. לכן, בעיצובים כאלה, מסופק מצב להתנעת המנוע עד סיבובים, שבו המתח על הפיתולים יכול להיות הוערך ומצב המנוחה נבדק על ידי ניתוח השפעת השדה המגנטי על פעימות זרם הבדיקה העוברות דרכם סלילים.
למרות כל קשיי התכנון לעיל, מנועים ללא מברשות כובשים הכל פופולריות רבה בשל הביצועים שלו ואינה נגישה לסט הסעפת מאפיינים. רשימה קצרה של היתרונות העיקריים של BDKP על פני הקלאסיים נראית כך:
- אין אובדן אנרגיה מכני עקב חיכוך מברשת;
- חוסר רעש השוואתי של עבודה;
- קלות האצה והאטה עקב אינרציה נמוכה של הרוטור;
- בקרת סיבוב מדויקת;
- האפשרות לארגן קירור עקב מוליכות תרמית;
- יכולת עבודה במהירויות גבוהות;
- עמידות ואמינות.
יישום ונקודות מבט מודרניות
ישנם מכשירים רבים שהגדלת זמן הפעולה היא קריטית עבורם. בציוד כזה, השימוש ב-BDKP תמיד מוצדק, למרות העלות הגבוהה יחסית. אלו יכולות להיות משאבות מים ודלק, טורבינות לקירור מזגנים ומנועים וכו'. מנועים ללא מברשות משמשים בדגמי רכב חשמליים רבים. כיום, תעשיית הרכב מתמקדת ברצינות במנועים ללא מברשות.
BDKP הם אידיאליים עבור כוננים קטנים הפועלים בתנאים קשים או עם דיוק גבוה: מזינים ומסועי רצועות, רובוטים תעשייתיים, מערכות מיקום. ישנם תחומים שבהם מנועים ללא מברשות שולטים ללא עוררין: כוננים קשיחים, משאבות, מאווררים שקטים, מכשירים קטנים, כונני CD/DVD. משקל נמוך ותפוקת כוח גבוהה הפכו את ה-BDKP גם לבסיס לייצור של כלי עבודה ידניים אלחוטיים מודרניים.
ניתן לומר שיש התקדמות משמעותית בתחום הכוננים החשמליים. הירידה המתמשכת במחיר האלקטרוניקה הדיגיטלית הולידה מגמה של שימוש נרחב במנועים ללא מברשות כדי להחליף את המסורתיים.
