Compreender o princípio de funcionamento e a diferença entre o motor com escovas e o motor sem escovas num só artigo

Princípio de funcionamento do motor DC escovado

A estrutura principal de um motor CC com escovas é estator + rotor + escova, que obtém binário através de um campo magnético rotativo e produz energia cinética. A escova está em constante contacto e fricção com o comutador, que desempenha um papel na condução da eletricidade e na comutação das fases durante a rotação.

Os motores CC com escovas utilizam comutação mecânica, os pólos magnéticos não se movem e as bobinas rodam. Quando o motor está a funcionar, as bobinas e o comutador rodam, os ímanes e as escovas de carvão não rodam e a mudança alternada do sentido da corrente da bobina é completada pelo comutador e pelas escovas que rodam com o motor.

Num motor de corrente contínua com escovas, o processo consiste em dispor os dois terminais de entrada de energia de cada grupo de bobinas num anel em sequência, separados por materiais isolantes, para formar uma coisa semelhante a um cilindro, que está ligado ao eixo do motor como um todo. A energia é passada através de dois pequenos pilares feitos de elementos de carbono (escovas de carbono). Sob a ação da pressão da mola, esta pressiona dois pontos no cilindro superior do anel de entrada de energia da bobina a partir de duas posições fixas específicas para energizar um grupo de bobinas.

À medida que o motor roda, diferentes bobinas ou diferentes pólos da mesma bobina são energizados em momentos diferentes, de modo a que o pólo NS da bobina que gera o campo magnético tenha uma diferença de ângulo adequada com o pólo NS do estator de íman permanente mais próximo. Os pólos opostos do campo magnético atraem-se e os pólos semelhantes repelem-se, gerando força para fazer girar o motor. O elétrodo de carbono desliza sobre o terminal da bobina, como uma escova a escovar a superfície de um objeto, pelo que é designado por "escova" de carbono.

Ao deslizarem umas contra as outras, as escovas de carvão esfregam-se e provocam desgaste, o que exige a substituição regular das escovas de carvão. Quando as escovas de carvão e os terminais da bobina são ligados e desligados alternadamente, ocorrem faíscas eléctricas, gerando danos electromagnéticos e interferindo com o equipamento eletrónico.

Princípio de funcionamento do motor CC sem escovas

Num motor DC sem escovas, o trabalho de comutação é feito pelo circuito de controlo no controlador (normalmente um sensor Hall + controlador, uma tecnologia mais avançada é um codificador magnético).

Os motores CC sem escovas utilizam comutação eletrónica, a bobina não se move e os pólos magnéticos rodam. Os motores de corrente contínua sem escovas utilizam um conjunto de dispositivos electrónicos para detetar a posição dos pólos do íman permanente através do interrutor Hall SS2712 . Com base nesta perceção, os circuitos electrónicos são utilizados para mudar o sentido da corrente na bobina em tempo útil, de modo a garantir que a força magnética no sentido correto é gerada para acionar o motor. As deficiências dos motores de corrente contínua com escovas são eliminadas.

Estes circuitos são controladores de motor. O controlador do motor de corrente contínua sem escovas pode também realizar algumas funções que o motor de corrente contínua com escovas não pode realizar, tais como ajustar o ângulo de comutação da potência, travar o motor, inverter o motor, bloquear o motor e utilizar o sinal de travagem para parar a alimentação de energia do motor. O bloqueio eletrónico do alarme do atual automóvel a bateria utiliza plenamente estas funções.

O motor de corrente contínua sem escovas é constituído por um corpo de motor e um condutor e é um produto típico da mecatrónica. Uma vez que o motor CC sem escovas funciona de forma automática, não necessita de um enrolamento de arranque adicional no rotor, como um motor síncrono que arranca sob carga pesada com regulação de velocidade de frequência variável, nem produz oscilação e perda de passo quando a carga muda subitamente.

A diferença entre a regulação da velocidade do motor CC com escovas e do motor CC sem escovas

De facto, o controlo de ambos os motores é a regulação da tensão, mas como a corrente contínua sem escovas utiliza comutação eletrónica, é necessário um controlo digital para a sua realização, enquanto a corrente contínua com escovas é comutada por escovas de carvão e pode ser controlada utilizando circuitos analógicos tradicionais, como tiristores, o que é relativamente simples.

1. O processo de regulação da velocidade do motor com escovas consiste em ajustar a tensão da fonte de alimentação do motor. A tensão e a corrente ajustadas são convertidas através do comutador e das escovas para alterar a força do campo magnético gerado pelo elétrodo para atingir o objetivo de alterar a velocidade. Este processo é designado por regulação de velocidade de tensão variável.

2. O processo de regulação da velocidade do motor sem escovas consiste em alterar a velocidade alterando o sinal de controlo do regulador elétrico, mantendo inalterada a tensão da fonte de alimentação do motor, e alterando depois a taxa de comutação do tubo MOS de alta potência através do microprocessador. Este processo é designado por regulação de velocidade de frequência variável.

Diferenças de desempenho

1. Os motores com escovas têm uma estrutura simples, um longo tempo de desenvolvimento e uma tecnologia madura.

Já no século XIX, quando o motor nasceu, o motor prático produzido era do tipo sem escovas, ou seja, o motor assíncrono de corrente alternada em gaiola de esquilo, que foi amplamente utilizado após a geração da corrente alternada.

No entanto, os motores assíncronos têm muitos defeitos insuperáveis, o que levou a um desenvolvimento lento da tecnologia dos motores no passado. Em particular, os motores CC sem escovas só entraram em funcionamento comercial nos últimos anos, uma vez que a tecnologia eletrónica tem vindo a mudar a cada dia que passa. No essencial, continuam a pertencer à categoria dos motores de corrente alterna.

Pouco depois de o motor sem escovas ter sido inventado, inventou-se o motor de escovas CC. Uma vez que o motor com escovas CC tem uma estrutura simples, é fácil de produzir e processar, é fácil de manter e é fácil de controlar; o motor CC também tem as caraterísticas de resposta rápida, grande binário de arranque e a capacidade de fornecer binário nominal desde a velocidade zero até à velocidade nominal, tem sido amplamente utilizado desde a sua introdução.

2. O motor CC escovado tem uma velocidade de resposta rápida e um binário de arranque elevado

O motor DC com escovas tem uma velocidade de resposta de arranque rápida, um binário de arranque elevado, uma mudança de velocidade suave e quase nenhuma vibração desde a velocidade zero até à velocidade máxima. Pode acionar uma carga maior no arranque. O motor sem escovas tem uma grande resistência de arranque (reactância indutiva), pelo que o fator de potência é pequeno, o binário de arranque é relativamente pequeno, há um zumbido no arranque, acompanhado de fortes vibrações, e a carga acionada no arranque é pequena.

3. O motor de escovas DC funciona sem problemas e tem bons efeitos de arranque e de travagem

Os motores com escovas ajustam a velocidade através da regulação da tensão, pelo que o arranque e a travagem são suaves e também são suaves quando funcionam a uma velocidade constante. Os motores sem escovas são normalmente controlados por conversão de frequência digital, que primeiro converte CA em CC e depois CC em CA, e controla a velocidade alterando a frequência. Por conseguinte, os motores CC sem escovas não funcionam suavemente no arranque e na travagem e têm grandes vibrações. Só são estáveis quando a velocidade é constante.

4. Elevada precisão de controlo do motor CC com escovas

Os motores CC com escovas são normalmente utilizados com caixas de redução e codificadores para aumentar a potência de saída do motor e a precisão do controlo. A precisão de controlo pode atingir 0,01 mm, o que permite que as peças móveis parem praticamente em qualquer lugar. Todas as máquinas-ferramentas de precisão utilizam a precisão de controlo do motor CC. Os motores CC sem escovas não são estáveis durante o arranque e a travagem, pelo que as peças móveis param em posições diferentes de cada vez e têm de ser paradas na posição desejada através de pinos de posicionamento ou limitadores.

5. O motor de escova DC tem baixo custo e fácil manutenção

Uma vez que os motores CC com escovas têm uma estrutura simples, baixo custo de produção, muitos fabricantes e uma tecnologia relativamente madura, são amplamente utilizados, como em fábricas, máquinas-ferramentas de processamento, instrumentos de precisão, etc. Se o motor falhar, basta substituir a escova de carvão, e cada escova de carvão custa apenas alguns yuan, o que é muito barato. A tecnologia do motor CC sem escovas é imatura, o preço é elevado e a gama de aplicações é limitada. Deve ser utilizado principalmente em equipamentos de velocidade constante, tais como aparelhos de ar condicionado de frequência variável, frigoríficos, etc. Os motores CC sem escovas só podem ser substituídos se estiverem danificados.

6. Sem escova, baixa interferência

O motor DC sem escovas eliminou as escovas. A alteração mais direta é o facto de não se gerarem faíscas quando o motor com escovas está a funcionar, o que reduz consideravelmente a interferência das faíscas no equipamento de rádio de controlo remoto.

7. Baixo ruído e funcionamento suave

O motor DC sem escovas não tem escovas, pelo que a fricção é muito reduzida durante o funcionamento, funcionando suavemente e com muito menos ruído. Esta vantagem é um grande apoio para a estabilidade do funcionamento do modelo.

8. Longa vida útil e baixo custo de manutenção

Sem escovas, o desgaste do motor de corrente contínua sem escovas é principalmente nos rolamentos. De um ponto de vista mecânico, o motor CC sem escovas é praticamente um motor que não necessita de manutenção. Quando necessário, apenas é necessária alguma manutenção para remoção de poeiras.

Princípio de controlo do motor CC sem escovas

O controlo do acionamento do motor consiste em controlar a rotação ou a paragem do motor, bem como a velocidade de rotação. A parte de controlo do acionamento do motor é também designada por controlador eletrónico de velocidade, ou abreviadamente ESC . Os ESCs dividem-se em ESCs sem escovas e ESCs com escovas, consoante os motores utilizados.

O íman permanente de um motor CC com escovas é fixo e a bobina é enrolada à volta do rotor. Uma escova está intermitentemente em contacto com o comutador para mudar a direção do campo magnético e manter o rotor a rodar continuamente. Como o nome sugere, um motor DC sem escovas não tem as chamadas escovas e comutadores. O seu rotor é um íman permanente e a bobina é fixa e está diretamente ligada a uma fonte de alimentação externa. A questão é: como mudar a direção do campo magnético da bobina? De facto, um motor DC sem escovas também requer um regulador de velocidade eletrónico no exterior. Em termos simples, este regulador de velocidade é um acionamento do motor. Altera a direção da corrente no interior da bobina fixa em qualquer momento para garantir que a força entre esta e o íman permanente é mutuamente repulsiva, de modo a que a rotação contínua possa continuar.

Os motores com escovas podem funcionar sem ESCs e podem funcionar fornecendo diretamente eletricidade ao motor, mas a velocidade do motor não pode ser controlada desta forma. Os motores DC sem escovas têm de ter ESCs para funcionar, caso contrário não podem rodar. A energia CC deve ser convertida em energia CA trifásica pelo variador sem escovas e depois transmitida ao motor CC sem escovas para rotação.

Os primeiros ESCs não eram como os ESCs actuais. Eram todos ESCs com escovas. Pode perguntar-se o que é um variador com escovas e qual é a diferença entre este e os actuais variadores sem escovas. De facto, a diferença é enorme. Tanto os variadores com escovas como os sem escovas são baseados em motores. O rotor do motor atual, ou seja, a parte rotativa, é todo constituído por ímanes, e a bobina é o estator que não roda, porque não existe uma escova de carbono no meio. Este é um motor DC sem escovas.

Quanto aos motores com escovas, como o nome indica, têm escovas de carbono, pelo que são motores de corrente contínua com escovas. Por exemplo, os motores utilizados nos carros de controlo remoto com que as crianças costumam brincar por 10 a 20 yuan são motores de corrente contínua com escovas. Os variadores de velocidade têm o nome destes dois tipos de motores, nomeadamente variadores com escovas e variadores sem escovas. De um ponto de vista profissional, os variadores com escovas produzem corrente contínua, enquanto os variadores sem escovas produzem corrente alternada trifásica. A corrente contínua é a eletricidade armazenada nas nossas baterias, que tem pólos positivos e negativos. A nossa fonte de alimentação doméstica de 220V e a fonte de alimentação utilizada nos carregadores de telemóveis ou computadores são todas de corrente alternada.

A corrente alternada tem uma determinada frequência. Em termos leigos, é uma linha que troca positivo e negativo, positivo e negativo para trás e para a frente; a corrente contínua é uma linha que tem pólos positivos e pólos negativos. Agora que já percebemos o que é a corrente alternada e a corrente contínua, o que é a "eletricidade trifásica"? Teoricamente, a corrente alternada trifásica é uma forma de transmissão de eletricidade, designada por eletricidade trifásica. É uma fonte de energia composta por três potenciais alternados com a mesma frequência, igual amplitude e diferença de fase de 120 graus. Em termos leigos, é a corrente alternada trifásica que utilizamos em casa. Exceto a tensão, a frequência e o ângulo de acionamento, tudo o resto é igual. Agora já sabe o que é a eletricidade trifásica e a corrente contínua.

O variador sem escovas introduz corrente contínua, que é estabilizada por um condensador de filtro. De seguida, é dividida em duas vias. Um caminho é usado pelo BEC do ESC. O BEC é usado para alimentar o recetor e o próprio microcontrolador do ESC. A saída da linha de alimentação para o recetor são as linhas vermelha e preta na linha de sinal. O outro caminho é usado pelo tubo MOS. Aqui, quando o ESC é ligado, o microcontrolador começa a arrancar, levando o tubo MOS a vibrar, fazendo com que o motor emita um som de gotejamento.

Depois de arrancar, estará pronto a funcionar. Alguns ESCs têm uma função de calibração do acelerador. Antes de entrar no modo de espera, monitoriza se a posição do acelerador é alta, baixa ou intermédia. Se for alta, entrará na calibração do curso do ESC. Se estiver no meio, começará a enviar um sinal de alarme e o motor emitirá um sinal sonoro. Se estiver baixo, entrará no estado de funcionamento normal. Depois de tudo estar pronto, o MCU no ESC determinará a tensão e a frequência de saída de acordo com o sinal na linha de sinal PWM, bem como a direção de condução e o ângulo de sincronização para conduzir a velocidade e a direção do motor. Este é o princípio do variador sem escovas. Quando o motor é acionado, existem 3 grupos de tubos MOS a trabalhar no ESC, cada um com 2 pólos, um para controlar a saída positiva e o outro para controlar a saída negativa. Quando o positivo sai, o negativo não sai, e quando o negativo sai, o positivo não sai, de modo que a CA é formada. Do mesmo modo, os três grupos funcionam desta forma e a sua frequência é de 8000HZ. Por falar nisso, o ESC sem escovas é equivalente a um conversor de frequência ou regulador de velocidade utilizado em motores numa fábrica.

A entrada do ESC é DC, normalmente alimentada por uma bateria de lítio. A saída é AC trifásica, que pode acionar diretamente o motor. Além disso, o controlador eletrónico de velocidade sem escovas do aeromodelo tem três linhas de entrada de sinal, que introduzem sinais PWM para controlar a velocidade do motor. Para os aeromodelos, especialmente os quadricópteros, devido à sua particularidade, são necessários ESCs especiais para aeromodelos.

Então, porque é que os quadricópteros precisam de ESCs especiais? O que é que eles têm de especial? Um quadricóptero tem quatro hélices, que estão dispostas numa estrutura em cruz. As hélices podem ser rodadas para a frente e para trás, o que pode compensar o problema de rotação causado pela rotação de uma única hélice. O diâmetro de cada hélice é muito pequeno, e a força centrífuga das quatro hélices é dispersa quando rodam. Ao contrário das hélices de um helicóptero, apenas uma pode gerar uma força centrífuga concentrada para formar uma força centrífuga inercial giroscópica, que evita que a fuselagem tombe rapidamente. Por conseguinte, a frequência de atualização do sinal de servo controlo normalmente utilizado é muito baixa.

Para que o quadcopter reaja rapidamente para lidar com a deriva causada por mudanças de atitude, é necessário um ESC de alta velocidade de resposta. A velocidade de atualização do ESC PPM convencional é apenas de cerca de 50Hz, o que não permite atingir a velocidade necessária para este controlo. Além disso, o ESC MCU PPM tem um controlo de velocidade PID incorporado, que pode proporcionar caraterísticas de mudança de velocidade suaves para modelos de aeronaves convencionais, mas não é adequado para quadricópteros, que necessitam de mudanças de velocidade do motor de resposta rápida. Utilizando um ESC dedicado de alta velocidade e a interface de barramento IIC para transmitir sinais de controlo, é possível obter centenas ou milhares de alterações de velocidade do motor por segundo, de modo a que a atitude se mantenha sempre estável durante o voo do quadricóptero. Mesmo que seja subitamente afetado por forças externas, continua são e salvo.