Motor DC fără perii
Principala problemă cu motoare DC, ilustrată în secțiunea anterioară, este prezența unui comutator și a periilor care sunt folosite pentru a activa periodic curentul în diferitele bobine de armătură. Periile trebuie schimbate periodic și introduc frecare suplimentară la mișcarea de rotație a rotorului din cauza contactului de alunecare cu comutatorul (Miller 1989). Pentru a îmbunătăți eficiența și durabilitatea, au fost dezvoltate motoare fără perii; în motorul DC real, magneții permanenți sunt de obicei pe stator și nu se rotesc; însă, cuplul rezultat dat de rotația rotorului este realizat și de către stator și magneți. Acest principiu a fost folosit pentru a concepe motoare DC fără perii, în care părțile rotative sunt realizate de magneți permanenți pe rotor, iar bobinele purtătoare de curent sunt în stator. Deoarece magnetul permanent are polaritate, câmpul magnetic generat de bobinele din stator trebuie activat și comutat în mod oportun. Figura 10 prezintă o formă de bază a unui motor fără perii. Rotorul este de obicei magnet permanent din ferită sau ceramic, iar curentul de pe bobinele statorului (AA, BB, CC) este controlat electronic de tranzistoare pentru a menține câmpul magnetic, livrând mereu un cuplu pentru rotația rotorului. Pentru a activa în mod oportun bobinele statorului trebuie cunoscută poziția rotorului și se folosesc în general senzori Hall poziționați pe senzorii statori pentru a detecta poziția unghiulară a rotorului.
Fig. 10 Schema constructivă a motorului fără perii. (Sus) Reprezentare schematică a unui motor DC fără perii și (jos) a senzorilor Hall și a circuitului comutatorului pentru generarea câmpului magnetic sincron
Tabelul 1.
Tabel de comutație pentru un motor fără perii cu secvență de comutare
Tranzistoarele sunt activate de ieșirea de la senzorul Hall și diferitele bobine din stator sunt alimentate secvenţial. Din Tabelul 1 este prezentată ordinea de comutare: când rotorul este în poziție verticală, ieșirea este doar de la senzorul c, iar tranzistoarele active sunt A+ și B–. Când rotorul este rotit în sensul acelor de ceasornic cu 60o față de senzorii b și c, se activează tranzistoarele A+ și C–. Folosind un proces de fabricație automat îmbunătățit, soluția fără perii permite motorului să atingă o bună disipare a căldurii și o capacitate mare de suprasarcină. În plus, deoarece noile motoare sunt comutate electronic, durata scurtă de viață asociată periilor mecanice este eliminată și fiabilitatea crește. Comutația electronică permite un zgomot electric minim și evitarea arcului electric care a fost prezent în modelul anterior al motoarelor tradiționale cu perii; zgomotul electric se datorează electronicii de control, dar zgomotul periei nu mai este un factor care influențează controlul unor astfel de motoare. O altă caracteristică a noilor motoare fără perii utilizează magneți de neodim de înaltă energie, ceea ce are ca rezultat o constantă de timp mecanică foarte sensibilă – până la 5 ms – minimizând în același timp dimensiunea totală. Magneții de neodim au ca rezultat o ieșire de cuplu mai mare într-un anumit volum, crescând capacitatea de a accelera rapid prin „constanta de timp mecanică”, care este definită ca timpul necesar pentru ca un motor fără sarcină să accelereze de la oprire până la 63 % din viteza fără sarcină cu tensiunea nominală aplicată. Un motor care are capacitatea de a accelera rapid este important pentru a minimiza timpul de mișcare, care este critic pentru multe aplicații și, de asemenea, crește randamentul în aplicațiile de producție. Noile generații de astfel de motoare sunt utilizate pe scară largă în robotică și automatizări. Unele companii sunt capabile să furnizeze motoare care variază în diametru de la 16 la 40 mm, cu dimensiuni de lungime cuprinse între 24 și 88 mm și putere de ieșire continuă de la 5 la 120 W, în timp ce viteza maximă este de până la 20.000 RPM. Intervalul de temperatură ambientală al motoarelor este de -40oC până la 100oC. Datorită performanței lor ridicate și duratei de viață lungi, aceste motoare sunt potrivite pentru o varietate de aplicații, incluzând automatizări, dispozitive biomedicale, mașini pick and place, robotică, pompe și fabricație de semiconductoare.