موتور بدون جاروبک دی‌سی

موتور براشلس (بدون جاروبک) در برابر موتورهای براش (دارای جاروبک)

موتورهای دی‌سی براش به‌طور تجاری از سال ۱۸۸۶ مورد استفاده قرار گرفت. موتورهای براشلس تا ۱۹۶۲ مورد استفاده تجاری قرار نگرفتند.
موتورهای براش گشتاور بیشینه را در لحظه سکون فراهم می‌آورند؛ این گشتاور به صورت خطی با افزایش سرعت کاهش می‌یابد. برخی محدودیت‌های موتورهای براش می‌توانند در موتورهای براشلس جبران شوند. آن‌ها کارایی بالاتری را به همراه داشته و همچنین حساسیت کمتری نسبت به سایش مکانیکی کموتاتور دارند. این فواید در برابر کاهش نیرو، پیچیدگی بیشتر، و کنترل الکترونیکی گرانتر بدست آمده‌است.
موتور براشلس آهنرباهای دائمی دارد و می‌گردند و آرمیچر در آن ثابت است؛ به همین دلیل مشکلات به وجود آمده به خاطر ارتباط مستقیم جریان با آرمیچر چرخان از میان برداشته شده‌اند. در این موتورها یک کنترل‌کننده الکترونیکی، جایگزین براش و کموتاتور شده‌است؛ که فاز سیم‌پیچ‌ها را دائماً سوییچ می‌کند تا موتور را به گردش درآورد. کنترل‌گر توزیع قدرت «همزمان» (به انگلیسی: Synchronous) مشابهی را با یک مدار (حالت جامد؟) به جای سیستم براش و کموتاتور فراهم کرد.
ارتباط موتور براشلس می‌تواند در سخت‌افزار صورت پذیرد یا به‌جای آن توسط اف‌پی‌جی‌ای (به انگلیسی: FPGA) اجرا شود. استفاده از اف‌پی‌جی‌ای انعطاف‌پذیری و توانایی‌هایی را فراهم کرده‌است که در موتورهای دی‌سی براش در دسترس نیست. همچون محدود کردن سرعت، عملکرد (Micro stepped) برای کنترل حرکت آرام یا مورد نظر و نگه‌داشتن گشتاور هنگام سکون.

معایب موتور دی‌سی براش

توان بیشینه‌ای که می‌تواند به موتور براشلس اعمال شود تقریباً با حرارت محدود می‌شود؛ چراکه آهنرباها را تضعیف می‌کند و می‌تواند به عایق سیم‌پیچ‌ها نیز آسیب بزند. اشکال اساسی یک موتور براشلس نسبت به موتور براش قیمت بالاتر آن است که از دو مسئله برخاسته‌است. اول، موتورهای براشلس به مدار کنترل‌کننده سرعت الکترونیکی پیچیده برای حرکت نیاز دارند. موتورهای براش دی‌سی می‌توانند توسط کنترل‌گرهایی در مقایسه ساده‌تر تنظیم شوند؛ همچون رئوستا (مقاومت متغیر). هرچند، این روش کارایی را کاهش می‌دهد؛ چراکه توان در رئوستا تلف می‌شود. دوم، برخی کاربردهای عملی به خوبی در بخش تجاری فراهم نیامده‌است. برای نمونه، در یک کنترل‌کننده رادیویی سرگرم‌کننده، موتورهای براش‌لس معمولن دست‌ پیچ شده‌اند در حالی که موتورهای براش دار معمولن ماشین‌ پیچ شده‌اند. (با این‌وجود، دستگاه‌های زیر را ببینید)

برخی مزیت‌ها نسبت به موتور براش

موتورهای براش‌لس در تبدیل برق به توان مکانیکی نسبت به موتورهای برس‌دار کارآمدترند. این پیشرفت تاحد زیادی به خاطر تعریف سرعت موتور توسط فرکانسی است که الکتریسیته سوییچ می‌شود، نه ولتاژ(؟). دست‌آوردهای بیشتر به خاطر نبودن براش و در نتیجه کاهش تلفات اصطکاک است. بیشترین کارایی پیشرفته در حالت‌های بدون بار و کم بار منحنی عملکرد موتور است. تحت بارهای مکانیکی بالا، موتورهای براشلس و موتورهای باکیفیت براش در کارایی غیرقابل مقایسه‌اند.
محیط‌ها و نیازمندی‌ها در حالت‌هایی که تولیدکننده‌ها از موتورهای براشلس دی‌سی استفاده می‌کنند، شامل عملکردهای بدون نگهداری، سرعت‌های بالا، و عملکردهایی که در آن‌ها جرقه مخاطره‌انگیز است (مانند محیط‌های قابل انفجار)، یا ممکن است به دستگاه‌هایی که نسبت به برق حساس هستند اثر بگذارد.

عملکرد کنترل گر

کنترل‌گر چرخش روتور را برعهده دارد و در نتیجه به وسیله‌هایی برای درک جهت و موقعیت روتور (نسبت به سیم‌پیچ‌های استاتور) نیازمند است. در برخی طراحی‌ها از حسگرهای اثر هال یا rotary encoder برای اندازه‌گیری مستقیم موقعیت روتور استفاده می‌کنند. برخی دیگر نیز EMF بازگشتی را در روتورهای خارج از هدایت اندازه می‌گیرند تا به موقعیت روتور پی ببرند و بدین‌ترتیب نیاز به حسگر اثر هال جداگانه را از میان برده‌اند و به همین‌دلیل عموماً کنترل‌گرهای بدون سنسور گفته می‌شوند.
یک کنترل‌گر نمونه ۳ خروجی دوقطبی (مثلا خروجی سه‌فاز با فرکانس کنترل شده) دارد، که توسط یک مدار منطقی کنترل شده‌است. کنترل‌گرهای ساده مقایسه‌گرهایی را به کار می‌گیرند تا بفهمند چه موقع فاز خروجی می‌بایست افزایش یابد، درحالی که بیشتر کنترل‌گرهای پیشرفته ریزکنترل‌گری را برای شتاب، کنترل سرعت، و تنظیم بهترین-کارایی به کار می‌گیرند.
کنترل‌گرهایی که مکان روتور را بر اساس EMF برگشتی پیدا می‌کنند؛ دشواری‌های بیشتری در آغاز حرکت دارند؛ چون زمانی که موتور ساکن است هیچ EMF برگشتی نیز تولید نمی‌کند. بدین ترتیب موتور ممکن است در هر جهتی به حرکت درآید؛ و سپس اگر تشخیص دهیم که جهت اشتباه است به جهت درست جهش کنیم. این می‌تواند موجب شود که موتور برعکس حرکت کند، که بر پیچیدگی بخش آغاز می‌افزاید. موتورهای بدون سنسور دیگر توانایی دارند تا اشباع شدن سیم‌پیچ‌ها را که از قرارگیری آهنرباها ایجاد شده‌اند اندازه‌گیری نموده و در جهت یافتن مکان روتور به کار بگیرند.

تنوع ساختمان

موتورهای براش‌لس می‌توانند به شکل‌ها و خصوصیات فیزیکی مختلفی ساخته شوند. به هرحال آهن‌ربای دائمی همواره روی قسمت چرخنده (روتور) قرار می‌گیرد. در حالت «مرسوم» (که به نام inrunner نیز شناخته می‌شوند)، آهنرباها رو به بیرون قرار گرفته‌اند. سه سیم‌پیچ استاتور روتور را احاطه کرده‌اند. در حالت outrunner (یا روتوری خارجی)، جای قرارگیری سیم‌پیچ‌ها و آهنرباها برعکس است؛ سیم‌پیچ‌های استاتور بخش وسطی (هسته) موتور را تشکیل می‌دهند، در همین حال آهنرباهای دائمی رو به داخل، به‌طوری که استاتور را احاطه کرده‌است می‌گردند. نوع شار تخت یا محوری، هنگامی استفاده می‌شود که محدودیت جا یا شکل وجود دارد، و ورق‌های استاتور و روتور رو در رو قرارمی‌گیرند. نوع Outrunner نوعن قطب‌های بیشتری دارد و به صورت سه‌قلو ساخته می‌شوند تا سه گروه سیم‌پیچ فراهم آورند، و گشتاور بالاتری را در دورهای کم فراهم آید. در همه موتورهای براش‌لس، سیم‌پیچها ساکن هستند.
دو نوع پیکربندی برای سیم‌پیچ‌ها معمول است؛ پیکربندی دلتا سه سیم‌پیچ را در یک مدار (سری) مثلثی-شکل به هم می‌بندد؛ و توان به هر سر گره‌ها اعمال می‌شود. پیکربندی وای (Y)، همچنین ستاره نیز خوانده می‌شود، سر هر سه سیم‌پیچ را به یک نقطه وصل می‌کند؛ و توان به دو سر هر سیم‌پیچ وصل می‌شود.
موتوری با پیکربندی سیم‌پیچ به شکل دلتا، گشتاور کم در سرعت‌های پایین فراهم می‌کند، اما اندازه بیشتری در سرعت‌های بالاتر فراهم می‌آورد. پیکربندی وای گشتاور بالا در سرعت‌های پایین، اما گشتاور کم در سرعت‌های بالا فراهم می‌آورد.
اگرچه راندمان تأثیر بسیاری از ساختار موتور می‌پذیرد، ساختار سیم‌پیچ وای در حالت عادی کارآمدتر است. در اتصال سیم‌پیچ‌ها به صورت دلتا، نصف ولتاژی که به
از دیدگاه کنترل‌گر، این دو ساختمان دقیقن یکسان بررسی می‌شوند. البته کنترل‌گرهای گران‌قیمت‌تر کمتری هستند که برای خواندن ولتاژ از سر وای طراحی شده‌اند.

منابع توان مدار کنترل

نوعاً یک موتور براش‌لس، ماشین الکتریکی AC سنکرون با آهنربای دائم است که با سنسورهای الکترونیکی (برای یافتن مکان روتور) و یک تولیدکننده سیگنال AC (اینورتر) که با منبع DC تغذیه می‌شود؛ ترکیب شده‌است. نوعاً اینورترهای موتور براش‌لس از یک منبع تغذیه سوییچی مدولاسیون عرض پالس برای تولید سیگنال راه‌انداز AC استفاده می‌کنند.

کاربردها

بسیاری از کارها در اصل می‌توانند توسط موتورهای براش‌لس دی‌سی انجام پذیرند. اما قیمت و کنترل پیچیده جلوی جایگزین کردن موتورهای برس‌دار با موتورهای براش‌لس کاملاً در نواحی ارزان‌قیمت گرفته‌است. با این حال، موتورهای براش‌لس در حال حکم‌فرمایی در بسیاری کاربردها، خصوصاً دستگاه‌هایی همچون سخت‌افزارهای کامپیوتر و پخش‌کننده‌های سی‌دی و دی‌وی‌دی است. پنکه‌های خنک‌کننده کوچک استفاده‌شده در دستگاه‌های الکترونیکی منحصراً توسط موتورهای براش‌لس به حرکت در می‌آیند. همین‌طور در دستگاه‌هایی که به منبع شهری متصل نیستند و راندمان اهمیت بسیاری دارد و مدت طولانی طول می‌کشد تا باتری دوباره به شارژ متصل شود از این موتورها استفاده می‌شود. موتورهای براش‌لس کم سرعت و کم توان در دستگاه‌های گرامافون نیز استفاده می‌شوند.

حمل و نقل

موتورهای براش‌لس پرتوان در وسایل حمل‌ونقل برقی و هیبرید یافت می‌شوند. این موتورها اساساً موتورهای AC سنکرون با روتور آهنربای دائم هستند.Segway Scooter و Vectrix Maxi-Scooter از موتورهای براش‌لس استفاده کرده‌اند. تعدادی از دوچرخه‌های برقی از موتور براش‌لس استفاده می‌کنند که خودش به‌طور مستقیم در توپی چرخ قرار گرفته‌است و استاتور در محور ثابت شده‌است و آهنرباهای دائم روتور بر روی چرخ به گردش در می‌آیند.

گرمایش و تهویه

هم‌اکنون در HVAC و صنایع سردسازی گرایش به سمت استفاده از موتورهای براش‌لس به جای موتورهای AC متعدد وجود دارد. دلیل قابل توجه برای جایگزینی توان موردنیاز پایین‌تر برای گرداندن موتورهای براش‌لس در برابر موتورهای AC است. درحالی که موتورهای قطب سایه‌دار(؟) PSC در ابتدا بر موتورهای پنکه حکمرانی می‌کردند، هم‌اکنون بسیاری پنکه‌ها با موتورهای براش‌لس به حرکت در می‌آیند. برخی پنکه‌ها از موتورهای براش‌لس دی‌سی برای افزایش راندمان سراسری سیستم بهره می‌برند.
در کنار راندمان بالاتر موتورهای براش‌لس، در سیستم‌های HVAC خصوصاً زمانی که کنترل سرعت مطرح باشد، از موتورهای براش‌لس دی‌سی استفاده می‌شود چراکه ریزکنترل‌گر داخلی این موتورها امکان برنامه‌ریزی و کنترل بهتر در جریان هوا و ارتباط سری می‌دهد.

مهندسی صنایع

کاربرد موتور دی‌سی براش‌لس در مهندسی صنایع در درجه اول بر مهندسی تولید یا اتوماسیون صنعتی تمرکز دارد. در تولید، موتورهای براش‌لس در درجه اول برای کنترل حرکت، مکان، یا سیستم‌های تحریک به کار می‌روند.
موتورهای براش‌لس درحالت ایده‌آل برای کاربردهای تولیدی به خاطر توان بالا، چگالی، مشخصه سرعت-گشتاور خوب، راندمان بالا، محدوده سرعت وسیع و تعمیر و نگهداری اندک مناسب هستند.

سیستم‌های کنترل حرکت

موتورهای دی‌سی براش‌لس عموماً به عنوان محرک پمپ، پنکه، درایو دوک‌های نخ‌ریسی (اسپیندل) در سرعت‌های تنظیم‌پذیر و متغیر به کار می‌روند. آن‌ها می‌توانند گشتاور بالا با پاسخ سرعت مناسب فراهم آورند. به علاوه، آن‌ها می‌توانند به راحتی برای کنترل از راه دور برنامه‌ریزی و اتوماسیون شوند. به خاطر ساختارشان، خصوصیات گرمایی خوب و راندمان انرژی بالایی دارند. برای بدست آوردن پاسخ سرعت متغیر، موتورهای براش‌لس در سیستم الکترومکانیکی عمل می‌کنند که دارای کنترل‌گر الکترونیکی و سنسور فیدبک مکان روتور است.

تثبیت موقعیت و سیستم‌های تحریک

موتورهای براش‌لس برای تثبیت موقعیت صنعتی و سیستم‌های تحریک به کار می‌روند. برای روبات‌ها سرهم کننده، استپرهای براش‌لس یا موتورهای سروو برای تثبیت موقعیت قطعه برای سرهم نمودن یا یا یک ابزار برای پروسه تولید، همانند جوش‌کاری یا نقاشی به کار می‌روند.
موتورهای براش‌لس دی‌سی همچنین می‌توانند برای به‌حرکت درآوردن محرک‌های خطی استفاده شوند.

مهندسی مدل

موتورهای براش‌لس موتورهای انتخابی محبوبی برای هواپیماهای مدل شامل هلیکوپترها هستند. نسبت قدرت به وزن مطلوب آن‌ها و محدوده بزرگ اندازه‌های دردسترس، از ۵ گرم تا موتورهای بزرگ در اندازه صدها وات، انقلابی در تجارت هواپیماهای مدل برقی با جایگزین نمودن همه موتورهای برقی برش دار ایجاد کرده‌است. آن‌ها همچنین رشد هواپیماهای مدل ساده و کم‌وزن را به جای مدل‌های بزرگ با موتورهای احتراق داخلی تشویق کرده‌اند. نسبت توان به وزن بزرگ باتری‌های مدرن و موتورهای براش‌لس به مدل‌ها اجازه می‌دهند تا به جای فرازگرفتن تدریجی به صورت عمودی بالا روند. به خاطر نویز پایین و کاهش جرم در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی کوچک دلیل دیگری برای محبوبیت آن‌هاست.
محدودیت‌های قانونی برای استفاده از مدل‌های هواپیما با موتور احتراق داخلی در برخی کشورها همچنین از انتقال به سیستم‌های الکتریکی توان۰بالا پشتیبانی نموده‌اند.