Qual é a diferença entre um motor escovado e um motor sem escova

Qual é a diferença entre um motor escovado e um motor sem escova

Figura 1: Diferença entre um motor escovado e um motor sem escova

Motores escovados e sem escova, quais são as diferenças

Os motores DC com e sem escova são dois tipos distintos de motores elétricos. Em termos simples, a diferença é que os motores escovados possuem escovas de contato elétrico, que fazem o motor girar. Por outro lado, os motores sem escova dependem de componentes eletrônicos em vez de escovas para girar o motor. Outra maneira de descrevê-lo é que os motores sem escova possuem ímãs giratórios no centro, enquanto os motores com escova possuem ímãs estacionários na parte externa.

A Figura 1 mostra a diferença visual entre os dois, porém o funcionamento de cada um também é completamente diferente. A principal diferença entre eles é o tipo de comutação que utilizam:

1. Método de comutação:
   • Os motores escovados usam escovas mecânicas e um comutador para mudar a direção da corrente nos enrolamentos, que por sua vez gera um campo magnético para produzir torque e girar o motor.
   • Os motores sem escova, por outro lado, utilizam controle eletrônico e sensores magnéticos (por exemplo, sensores de efeito Hall) para mudar a direção da corrente nos enrolamentos sem qualquer contato mecânico. Este controle eletrônico geralmente está na forma de um driver externo ou de um controlador eletrônico de velocidade (ESC) integrado.
2. Eficiência:
   • Os motores sem escova são geralmente mais eficientes do que os motores com escova porque não apresentam o atrito e as perdas de energia associadas às escovas e comutadores. Isso leva a um melhor desempenho, tempos de execução mais longos e consumo de energia reduzido.
3. Manutenção e vida útil:
   • Os motores escovados requerem mais manutenção devido ao desgaste das escovas e dos comutadores, o que pode eventualmente levar à diminuição do desempenho e à falha do motor. As substituições das escovas são necessárias periodicamente para manter o desempenho ideal.
   • Os motores sem escovas possuem menos peças móveis e nenhum contato mecânico, o que resulta em uma vida útil mais longa e em requisitos de manutenção reduzidos.
4. Ruído e vibração:
   • Os motores sem escova geralmente produzem menos ruído e vibração em comparação aos motores com escova porque não possuem escovas ou comutadores que possam causar ruído mecânico.
5. Custo e complexidade:
   • Os motores sem escova são geralmente mais caros e complexos devido à necessidade de sistemas de controle eletrônico para comutação. No entanto, as suas vantagens em termos de eficiência, vida útil e manutenção muitas vezes superam a diferença de custo inicial.

Diagrama de motor sem escova

No rotor de um motor sem escovas, estão presentes ímãs permanentes, enquanto o estator aloja os enrolamentos. Este arranjo é o oposto das localizações do estator e do rotor em um motor CC com escovas. Os motores CC com escovas iniciam a rotação quando a corrente é fornecida aos enrolamentos através do comutador e das escovas. À medida que o motor gira, os pares subsequentes de comutador e escova são energizados, direcionando o fluxo de corrente para diferentes enrolamentos e mantendo a rotação. Os motores sem escova alcançam a comutação sem depender de escovas ou comutadores. Em vez disso, eles utilizam sensores de pólo magnético (como elementos Hall ou CIs de efeito Hall) para identificar as posições dos pólos magnéticos dos ímãs permanentes. Além disso, os drivers são obrigados a guiar o fluxo de corrente através dos enrolamentos de acordo com as posições dos pólos magnéticos detectadas.

Princípios do motor sem escova

Para descrever os princípios rotacionais dos motores sem escova, vamos considerar um modelo simplificado de 2 pólos e trifásico, conforme mostrado na Figura 2.

Os ímãs do rotor consistem em pólos norte e sul, cada um tendo um ângulo de pólo magnético de 180°. Os sensores de pólo magnético Ha, Hb e Hc são posicionados separados por 120° e detectam o pólo norte dos ímãs do rotor, produzindo posteriormente um sinal.

Em relação ao estator, a bobina da fase U, a bobina da fase V e a bobina da fase W também são colocadas 120° uma da outra e são deslocadas dos sensores do pólo magnético em 60°.

Quando a corrente flui do circuito de acionamento para o motor para cada enrolamento de fase do estator, um pólo sul é criado no lado do diâmetro interno do estator. Por outro lado, quando a corrente flui na direção oposta, um pólo norte é gerado no lado do diâmetro interno do estator. A Figura 3 ilustra a condição quando a corrente flui da fase U para a fase V.

 Figura 3: Princípio simplificado do motor sem escovas

Método de controle de um motor Brushless

Um motor sem escova é controlado por um controlador eletrônico que regula a potência fornecida ao motor. A seguir estão as etapas básicas para controlar um motor DC sem escovas:

1. Sensores de efeito Hall: Os motores sem escova usam sensores de efeito Hall para determinar a posição do rotor e fornecer feedback ao controlador.
2. Comutação Eletrônica: O controlador eletrônico usa as informações dos sensores de Efeito Hall para determinar a sequência adequada de corrente a ser fornecida aos enrolamentos do estator.
3. MOSFETs de potência ou IGBTs: O controlador usa MOSFETs de potência ou IGBTs para comutar a corrente fornecida aos enrolamentos do estator.
4. Sinais PWM: O controlador usa sinais de modulação por largura de pulso (PWM) para regular a velocidade e o torque do motor ajustando o ciclo de trabalho dos sinais PWM.
5. Sinais de entrada: O controlador recebe sinais de entrada de uma fonte de controle, como um microcontrolador, para definir a velocidade e direção desejadas do motor.

O método preciso para controlar um motor sem escovas depende do motor específico e do controlador utilizado, mas estas etapas fornecem uma visão geral do processo.

Como você controla a velocidade de um sem escova motor

A velocidade de um motor DC sem escovas é controlada ajustando a frequência da energia elétrica fornecida ao motor. A seguir estão as etapas básicas para controlar a velocidade de um motor sem escova:

1. Controlador Eletrônico: Um controlador eletrônico é usado para regular a potência fornecida ao motor.
2. Sinais PWM: O controlador usa sinais de modulação por largura de pulso (PWM) para ajustar a frequência da energia fornecida ao motor. Ao alterar o ciclo de trabalho dos sinais PWM, a tensão média aplicada ao motor pode variar, o que por sua vez afeta sua velocidade.
3. Sinais de entrada: O controlador recebe sinais de entrada de uma fonte de controle, como um microcontrolador, para definir a velocidade desejada do motor.
4. Feedback do motor: Em alguns casos, um mecanismo de feedback, como um tacômetro ou codificador, pode ser usado para monitorar a velocidade do motor e fornecer feedback ao controlador, que pode então ajustar os sinais PWM para manter uma velocidade constante.

O controle da velocidade de um motor DC sem escova envolve o ajuste da frequência da energia elétrica fornecida ao motor usando sinais PWM e controle eletrônico.

Que tipo de controlador você precisa para um motor sem escova

Um motor DC sem escovas requer um controlador eletrônico, geralmente chamado de Controlador Eletrônico de Velocidade (ESC), para regular a potência fornecida ao motor. O ESC é responsável pelas seguintes tarefas:

1. Monitorando a posição do rotor: Os motores sem escova usam sensores de efeito Hall para determinar a posição do rotor e fornecer feedback ao controlador.
2. Comutação: O controlador usa as informações dos sensores de efeito Hall para determinar a sequência adequada de corrente a ser fornecida aos enrolamentos do estator.
3. Comutação de energia: O controlador usa MOSFETs ou IGBTs de potência para comutar a corrente fornecida aos enrolamentos do estator.
4. Controle de velocidade: O controlador usa sinais de modulação por largura de pulso (PWM) para regular a velocidade e o torque do motor ajustando o ciclo de trabalho dos sinais PWM.
5. Sinais de entrada: O controlador recebe sinais de entrada de uma fonte de controle, como um microcontrolador, para definir a velocidade e direção desejadas do motor.

Diagrama do motor escovado

Figura 6: estrutura motora escovada

Um motor escovado é um tipo de motor elétrico CC que consiste em vários componentes principais que trabalham juntos para converter energia elétrica em energia mecânica. Os principais componentes de um motor com escovas são o rotor, o estator, o comutador e as escovas, conforme mostrado na Fig. 6. Aqui está uma descrição de cada componente e como eles contribuem para a estrutura do motor:

1. Rotor (Armadura): O rotor, também conhecido como armadura, é a parte rotativa do motor escovado. Consiste em bobinas de fio enroladas em torno de um núcleo de ferro, que cria um eletroímã quando a corrente passa por ele. O campo magnético do rotor interage com o campo magnético do estator, gerando torque e fazendo o rotor girar, acionando o eixo do motor.
2. Estator: O estator é a parte estacionária do motor escovado. Abriga ímãs permanentes, normalmente montados na superfície interna, proporcionando um campo magnético fixo. O campo magnético do estator interage com o campo magnético do rotor, criando o torque necessário para a rotação.
3. Comutador: O comutador é um componente crucial de um motor com escovas, responsável por mudar o sentido da corrente nos enrolamentos do rotor. É um cilindro metálico segmentado preso ao rotor, com cada segmento conectado a uma extremidade dos enrolamentos do rotor. À medida que o rotor gira, o comutador gira junto com ele, fazendo contato com as escovas.
4. Escovas: As escovas são componentes fixos e condutores que mantêm contato elétrico com o comutador rotativo. Normalmente são feitos de carbono ou grafite, garantindo baixo atrito e desgaste. As escovas fornecem a conexão elétrica entre a fonte de energia e os enrolamentos do rotor através do comutador. À medida que o comutador gira, as escovas deslizam sobre sua superfície, energizando sucessivamente diferentes enrolamentos do rotor, o que por sua vez faz com que o campo magnético do rotor mude e mantenha a rotação.

Um motor escovado consiste em um rotor com bobinas enroladas, um estator com ímãs permanentes, um comutador e escovas. A interação entre os campos magnéticos do rotor e do estator gera torque, enquanto o comutador e as escovas trabalham juntos para comutar a corrente nos enrolamentos do rotor, garantindo a rotação contínua.

Princípios por trás de um motor escovado

Os motores DC empregam enrolamentos de fio enrolado para gerar um campo magnético. Em um motor escovado, esses enrolamentos são fixados ao rotor, que pode girar livremente e acionar um eixo. Freqüentemente, as bobinas são enroladas em um núcleo de ferro, embora alguns motores escovados sejam "sem núcleo, "com enrolamentos autossuportados. A parte estacionária do motor, conhecida como "estator", usa ímãs permanentes para estabelecer um campo magnético fixo. Esses ímãs estão normalmente situados na superfície interna do estator, circundando o rotor. A Fig 7 mostra maior detalhe.

Para criar torque e fazer o rotor girar, o campo magnético do rotor deve girar continuamente, interagindo com o campo fixo do estator por meio de atração e repulsão. Um interruptor elétrico deslizante facilita esse campo giratório. Este interruptor compreende um comutador, geralmente um contato segmentado montado no rotor e escovas fixas montadas no estator.

Figura 7:Princípios por trás de um motor escovado

Como você controla a velocidade de um escovado motor

A velocidade de um motor DC escovado pode ser controlada ajustando a tensão aplicada aos seus terminais. A seguir estão as etapas básicas para controlar a velocidade de um motor CC com escovas:

1. Fonte de alimentação: Uma fonte de alimentação CC é conectada aos terminais do motor para fornecer a energia elétrica necessária para girar o motor.
2. Controle de velocidade: Para controlar a velocidade do motor, a tensão aplicada ao motor pode ser ajustada usando um resistor ou um sinal de modulação por largura de pulso (PWM) mostrado na Fig 8. Quanto menor a tensão aplicada ao motor, mais lento ele girará. Escrevemos um artigo separado sobre Controladores de velocidade aqui
3. Sinais de entrada: A tensão aplicada ao motor pode ser controlada por sinais de entrada de uma fonte de controle, como um microcontrolador, para definir a velocidade desejada.
4. Controle de Feedback: Em alguns casos, um mecanismo de feedback, como um tacômetro ou codificador, pode ser usado para monitorar a velocidade do motor e fornecer feedback a um controlador, que pode então ajustar a tensão para manter uma velocidade constante.

Controlando a velocidade de uma escovada motor DC envolve o ajuste da tensão aplicada aos seus terminais, diretamente ou usando um mecanismo de feedback para regular sua velocidade.

Figura 8: Controlando a velocidade de um motor escovado

Em resumo, um motor DC sem escovas requer um Controlador Eletrônico de Velocidade (ESC) para regular a potência fornecida ao motor e controlar sua velocidade e torque.

Como você conecta um motor sem escova a um interruptor

Uma maneira típica de controlar um motor com escova é usar uma chave oscilante.Na parte inferior do seu switch você verá 6 conectores, conforme mostrado abaixo, que se alinharão com o diagrama de circuito do switch DPDT acima.Se a chave for pressionada para a posição direta, os conectores superior e intermediário serão conectados dentro da chave; se o interruptor for pressionado para a posição traseira, os conectores inferior e intermediário serão conectados; e se a chave estiver na posição intermediária, a chave está aberta.

 Abaixo está um diagrama de fiação mostrando 2 motores escovados conectados a um interruptor

Um diagrama de fiação da parte traseira de uma chave oscilante é mostrado abaixo

O que é mais caro, um motor com escova ou sem escova

Em geral, os motores CC sem escovas são mais caros que os motores CC com escovas. A diferença de custo pode ser atribuída à complexidade do sistema do motor sem escovas, que requer componentes adicionais, como controlador eletrônico (ESC) e sensores de efeito Hall. O ESC e os sensores aumentam o custo do sistema, assim como o processo de fabricação mais sofisticado necessário para motores sem escovas.

No entanto, apesar do seu custo inicial mais elevado, os motores sem escovas oferecem muitas vezes diversas vantagens sobre os motores com escovas, incluindo maior eficiência, maior vida útil e melhor desempenho, particularmente em aplicações de alta velocidade e alto torque. Como resultado, o custo mais elevado dos motores sem escovas pode muitas vezes ser compensado pelos seus custos operacionais mais baixos e maior confiabilidade.

Concluindo, o custo dos motores com e sem escova varia dependendo da aplicação e dos requisitos específicos. Os motores sem escova geralmente são muito mais caros no início, mas podem oferecer maior vida útil e maior eficiência. Os motores escovados são ideais para a maioria das aplicações do dia a dia e para pessoas com pouca ou nenhuma experiência elétrica. Você pode encontrar motores sem escova usados ​​para carros elétricos e outros sistemas onde é necessária uma vida útil muito longa (muitas décadas), mas fora disso, você descobrirá que os motores com escova representam 95% do mercado de motores.

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