Οι ηλεκτροκινητήρες συνεχούς ρεύματος είναι μερικές από τις πιο σημαντικές εφευρέσεις στις οποίες έχει βασιστεί σε μεγάλο βαθμό ο σύγχρονος κόσμος. Αυτοί οι κινητήρες χρησιμοποιούνται σε οικιακές συσκευές, ηλεκτρικά εργαλεία, drones, συστήματα ψύξης Η/Υ, ρομποτική και ηλεκτρικά οχήματα.
Δύο από τους πιο συνηθισμένους ηλεκτρικούς κινητήρες συνεχούς ρεύματος που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος με βούρτσα και χωρίς ψήκτρες. Και οι δύο κινητήρες έχουν την ίδια θεμελιώδη ιδέα της χρήσης ηλεκτρομαγνητισμού για την παροχή μηχανικών περιστροφών. Αλλά με διαφορετικές σχεδιαστικές ιδέες, οι κινητήρες με ψήκτρες και ψήκτρες είναι βέβαιο ότι θα έχουν τις διαφορές τους στην απόδοση, το κόστος και τη συντήρηση.
Λοιπόν, ποιος σχεδιασμός κινητήρα είναι καλύτερος—βουρτσισμένος ή χωρίς ψήκτρες;
Πώς λειτουργεί ένας ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος;
Οι ηλεκτρικοί κινητήρες μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια. Αυτό το κάνουν επιτρέποντας στον ηλεκτρισμό να περάσει μέσα από χάλκινες περιελίξεις, δημιουργώντας ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που διεγείρει τους μόνιμους μαγνήτες μέσα στον κινητήρα, προκαλώντας την κίνηση του ρότορα και την παραγωγή μηχανικών ενέργεια.
Αν και τόσο οι κινητήρες με ψήκτρες όσο και οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες έχουν τον ίδιο στόχο να μετατρέψουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια, τα σχέδια τους είναι διαφορετικά. Για να κατανοήσουμε τη διαφορά τους, ας μιλήσουμε για το σχεδιασμό του κινητήρα, ξεκινώντας από τον βουρτσισμένο κινητήρα.
Σχεδίαση βουρτσισμένου κινητήρα
Οι βουρτσισμένοι κινητήρες παράγονται εδώ και πάνω από έναν αιώνα. Είναι γνωστό ότι έχουν έναν απλοϊκό σχεδιασμό που χρησιμοποιεί ένα ζευγάρι βούρτσες άνθρακα για την παροχή ισχύος στον κινητήρα. Οι βουρτσισμένοι κινητήρες θα έχουν πάντα τέσσερα κύρια μέρη, αυτά είναι:
- Στάτωρ: Το ακίνητο μέρος του κινητήρα. Περιέχει τους μόνιμους μαγνήτες που κάνουν τον ρότορα να κινείται.
- Στροφείο: Το περιστρεφόμενο τμήμα του κινητήρα. Περιέχει ένα πηνίο χαλκού που, όταν τροφοδοτείται, κάνει το χάλκινο πηνίο ηλεκτρομαγνητικό.
- Μετατροπέας ηλεκτρικού ρεύματος: Ένας μεταλλικός δακτύλιος που εξασφαλίζει ότι ο ρότορας συνεχίζει να περιστρέφεται αντιστρέφοντας την πολικότητα για κάθε μισή στροφή του ρότορα.
- Βούρτσες: Ένα σταθερό εξάρτημα από άνθρακα που συνδέεται απευθείας με τους ακροδέκτες της πηγής ισχύος. Μεταδίδουν ισχύ στον δακτύλιο του μεταγωγέα, ο οποίος στη συνέχεια ενεργοποιεί τον ρότορα.
Ένας βουρτσισμένος κινητήρας χρησιμοποιεί βούρτσες για την ηλεκτρική τροφοδοσία του κινητήρα, ενώ επιτρέπει την περιστροφή του ρότορα και του μεταγωγέα. Ο ρότορας αποτελείται από περιελίξεις χαλκού που, όταν τροφοδοτούνται, βασικά γίνονται ηλεκτρομαγνήτης.
Τι θα συμβεί λοιπόν αν δύο μαγνήτες πλησιάσουν μεταξύ τους;
Λοιπόν, ανάλογα με την ευθυγράμμιση των μαγνητικών πόλων, είτε θα έλκονται είτε θα απωθούνται μεταξύ τους. Ο στόχος ενός βουρτσισμένου κινητήρα είναι να χρησιμοποιήσει την έλξη και την απώθηση για την περιστροφή του κινητήρα. Εδώ είναι χρήσιμος ένας εναλλάκτης.
Ένας μεταγωγέας είναι ένας μεταλλικός δακτύλιος στο κέντρο του ρότορα που αλλάζει τον μαγνητικό πόλο του ρότορα κάθε 180 μοίρες. Αυτό διασφαλίζει αποτελεσματικά ότι ο μαγνητικός πόλος του ρότορα ευθυγραμμίζεται πάντα με τον ίδιο μαγνητικό πόλο του στάτορα, προκαλώντας απώθηση.
Το αποτέλεσμα? Συνεχής οι μηχανικές περιστροφές έχουν αρκετή δύναμη για να τροφοδοτήσετε το μπλέντερ σας (ή οτιδήποτε χρησιμοποιεί βουρτσισμένο κινητήρα).
Σχεδιασμός κινητήρα χωρίς ψήκτρες
Οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες άρχισαν να κερδίζουν δημοτικότητα τη δεκαετία του 1980, όταν τα τρανζίστορ έγιναν πιο κοινά στα ηλεκτρονικά. Έχοντας άμεσα διαθέσιμο εξαρτήματα στερεάς κατάστασης έπαιξε μεγάλο ρόλο στο να γίνουν οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες εφαρμόσιμοι για ηλεκτρικά εργαλεία, οικιακές συσκευές και ηλεκτρονικά. Ο περίπλοκος αλλά αποτελεσματικός σχεδιασμός τους δίνει στους κινητήρες χωρίς ψήκτρες περισσότερη ροπή από τους αντίστοιχους βουρτσισμένους.
Ο σχεδιασμός κινητήρα χωρίς ψήκτρες χρησιμοποιεί πολλά βασικά μέρη. Θα περιλαμβάνουν:
- Στάτωρ: Το ακίνητο μέρος του κινητήρα. Περιέχει πολλά πηνία χαλκού που, όταν τροφοδοτούνται, γίνονται ενεργός μαγνήτης.
- Στροφείο: Το περιστρεφόμενο τμήμα του κινητήρα. Αυτό περιέχει τους μόνιμους μαγνήτες που περιστρέφονται λόγω του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μεταξύ του στάτορα και του ρότορα.
- Αισθητήρας εφέ Hall: Ένας αισθητήρας που ανιχνεύει ποια πηνία είναι ενεργοποιημένα και ποια πηνία όχι.
- Κύκλωμα ελέγχου: Ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα σχεδιασμένο για να αποφασίζει ποια πηνία μέσα στον στάτορα θα ενεργοποιηθούν.
Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες δεν χρησιμοποιούν βούρτσες για την τροφοδοσία του κινητήρα. Οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες επίσης δεν διαθέτουν μεταγωγείς που μεταφέρουν ρεύμα. Αντίθετα, χρησιμοποιεί έναν αισθητήρα εφέ αίθουσας και ένα κύκλωμα ελέγχου για να εξασφαλίσει ότι οι αντίθετοι μαγνητικοί πόλοι του στάτορα και του ρότορα είναι πάντα ευθυγραμμισμένοι. Ένα άλλο πράγμα που θα βρείτε διαφορετικό είναι ότι ο στάτορας φιλοξενεί τις χάλκινες περιελίξεις ενώ ο ρότορας φιλοξενεί τους μόνιμους μαγνήτες.
Ένας κινητήρας χωρίς ψήκτρες λειτουργεί ουσιαστικά με τον ίδιο τρόπο όπως ένας βουρτσισμένος κινητήρας: χρησιμοποιώντας διαφορές στους μαγνητικούς πόλους για την κίνηση του ρότορα, δημιουργώντας περιστροφή και ροπή.
Αλλά χωρίς βούρτσες και μεταγωγείς, πώς μπορούν οι χάλκινες περιελίξεις να πάρουν ισχύ;
Απλά, κάνετε τις χάλκινες περιελίξεις ακίνητες. Δεν χρειάζονται πλέον βούρτσες με σταθερές περιελίξεις χαλκού, καθώς μπορείτε να τροφοδοτήσετε απευθείας τα πηνία μέσω καλωδίων.
Όσον αφορά τους μεταγωγείς, ένας κινητήρας χωρίς ψήκτρες χρησιμοποιεί έναν αισθητήρα εφέ αίθουσας και ένα κύκλωμα ελέγχου. Ο αισθητήρας χωλ είναι ένας επίπεδος κυκλικός αισθητήρας τοποθετημένος δίπλα στις χάλκινες περιελίξεις του στάτορα. Δεδομένου ότι ο στάτορας φιλοξενεί πολλά πηνία, ο αισθητήρας χωλ μπορεί να ανιχνεύσει εάν ένα από αυτά τα πηνία είναι ενεργοποιημένο ή όχι.
Κατασκευάστηκε με χρήση Sketchup
Στη συνέχεια, ο αισθητήρας δίνει την μέτρησή του στο κύκλωμα ελέγχου και αποφασίζει ποια πηνία θα ενεργοποιήσει. Έτσι, εάν οι μόνιμοι μαγνήτες του ρότορα πλησιάσουν τους ελκυστικούς μαγνητικούς πόλους, το κύκλωμα ελέγχου θα σταματήσει να ενεργοποιεί αυτά τα πηνία και θα ενεργοποιήσει το επόμενο πηνίο που έλκει τους μόνιμους μαγνήτες του ρότορα. Το κύκλωμα ελέγχου θα ενεργοποιήσει επίσης τα πηνία πριν από τους μόνιμους μαγνήτες, προκαλώντας απώθηση και προσθέτοντας ακόμη περισσότερη ροπή στην περιστροφή.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των κινητήρων με βούρτσα και χωρίς ψήκτρες
Με τις διαφορές στο σχεδιασμό του κινητήρα, τόσο οι κινητήρες με βούρτσα όσο και οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες θα έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Ακολουθεί ένας πίνακας που θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε τα δυνατά και τα αδύνατα σημεία τους:
| Βουρτσισμένο μοτέρ | Κινητήρας χωρίς ψήκτρες | |
|---|---|---|
| Διάρκεια ζωής | Μικρός | Μακρύς |
| Επιτάχυνση | Μεσαίο | Υψηλός |
| Αποδοτικότητα | Μεσαίο | Υψηλός |
| Ροπή | Μεσαίο | Υψηλός |
| Ακουστική | Θορυβώδης | Ησυχια |
| Κόστος | Φτηνός | Ακριβά (με κύκλωμα ελέγχου) |
Πρέπει να αγοράσετε υλικό με κινητήρα με ψήκτρες ή χωρίς ψήκτρες;
Όπως μπορείτε να δείτε στον πίνακα, οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες είναι καλύτεροι από κάθε άποψη (εκτός από το κόστος) από τους αντίστοιχους με ψήκτρες. Παρέχουν υψηλότερη ροπή, ταχύτερη επιτάχυνση, χαμηλότερο θόρυβο και υψηλότερη απόδοση και είναι πιο ανθεκτικά.
Έτσι, όταν έχετε την ευκαιρία να αγοράσετε ένα νέο ηλεκτρικό εργαλείο, συσκευή κουζίνας, drone ή οτιδήποτε χρειάζεται κινητήρα, η επιλογή αντικειμένων με κινητήρα χωρίς ψήκτρες είναι γενικά η καλύτερη επιλογή.
Άρα οι κινητήρες με βούρτσα πρέπει να είναι απαρχαιωμένοι;
Λοιπόν όχι. Ειδικά επειδή ένας κινητήρας χωρίς ψήκτρες (συν το κύκλωμα ελέγχου) θα κοστίσει σημαντικά περισσότερο από ένα αντικείμενο που χρησιμοποιεί κινητήρα με βούρτσα. Και παρόλο που ένας κινητήρας χωρίς ψήκτρες είναι καλύτερος από τον βουρτσισμένο αντίστοιχό του, δεν σημαίνει ότι ένας βουρτσισμένος κινητήρας είναι κακός. Στην πραγματικότητα, ένας βουρτσισμένος κινητήρας είναι πολύ καλός. Μπορείτε να επιτύχετε τις ίδιες εργασίες με έναν βουρτσισμένο κινητήρα που θα έκαναν οι άνθρωποι με έναν κινητήρα χωρίς ψήκτρες.
Γενικά, οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες είναι οι ιδανικοί κινητήρες μέσα στα εργαλεία και τον εξοπλισμό σας. Υπάρχουν όμως και περιπτώσεις όπου μπορεί να θέλετε να χρησιμοποιήσετε αντ' αυτού βουρτσισμένους κινητήρες. Αυτές οι καταστάσεις θα περιλαμβάνουν:
- Όταν ο κινητήρας χρησιμοποιείται σε στιγμιαίες σύντομες ριπές (π.χ. μπλέντερ, ηλεκτρικά καθίσματα και υαλοκαθαριστήρες)
- Όταν ένα εργαλείο/συσκευή γίνεται χρήσιμο μόνο λίγες φορές το χρόνο
- Όταν η εργασία δεν απαιτεί μεγάλη ροπή (π.χ. παιχνίδια, αεραγωγούς)
- Σε ακραίες συνθήκες λειτουργίας. Οι βουρτσισμένοι κινητήρες δεν χρειάζονται αισθητήρες ή κυκλώματα ελέγχου που μπορεί να αποτύχουν σε ακραίες καιρικές συνθήκες
Πραγματοποίηση έξυπνων αγορών
Τώρα που καταλαβαίνετε τη διαφορά μεταξύ κινητήρων με ψήκτρες και χωρίς ψήκτρες, ελπίζουμε ότι θα σας διευκολύνει να κάνετε μια έξυπνη αγορά όταν αγοράζετε συσκευές κουζίνας, εργαλεία και εξοπλισμό. Αυτό θα πρέπει επίσης να εξηγήσει γιατί ορισμένα είδη είναι πιο ακριβά από τα αντίστοιχα, παρόλο που προέρχονται από την ίδια μάρκα, έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά και χρησιμοποιούν τον ίδιο παράγοντα μορφής. Να θυμάστε ότι μόνο και μόνο επειδή μπορείτε να αγοράσετε ένα προϊόν υψηλής ποιότητας χρησιμοποιώντας έναν κινητήρα χωρίς ψήκτρες δεν σημαίνει πάντα ότι είναι το έξυπνο πράγμα που πρέπει να αγοράσετε.