סוגי מנועי סרוו: עקרונות עבודה, פונקציות ויישומים

לא כל סוגי מנועי הסרוו זהים, מכיוון שהם מגיעים במגוון רחב של צורות וגדלים, כאשר כל סוג מתאים ליישומים שונים.

ובכן, אולי טווח הצורות אינו כה רחב, שכן כולן נוטות להיות בקירוב בצורת גליל או מלבני, תלוי אם הן סיבוביות או ליניאריות. 

אבל מנועי סרוו בהחלט מגיעים במגוון עצום של גדלים וסוגים, וחשוב מכך, הם נבדלים באופן פעולתם מנקודת מבט אלקטרומכנית.

אז, איזה סוג של מנוע סרוו מתאים ביותר למקרה השימוש הספציפי שלך? המשך לקרוא למידע נוסף.

מהו מנוע סרוו?

מנועים חשמליים רגילים (כגון מנועי AC הנמצאים במאוורר שולחני) פועלים על ידי הפעלת קבוצת סלילים הממוקמים בסטטור, המייצרים שדה מגנטי המקיים אינטראקציה עם רוטור, ויוצר תנועה סיבובית בציר. 

מבחינת בקרה, הם אינם מכשירים חכמים במיוחד, והם בדרך כלל בלולאה פתוחה, עם הבקרות הבסיסיות ביותר (כגון פוטנציומטר) להתאמת המהירות. 

באופן כללי, למנוע חשמלי ממוצע מסוג זה אין יכולת בקרת מיקום, הנדרשת במערכות בקרת תנועה מתקדמות.

אם אתם רוצים רמת בקרה גבוהה במנוע חשמלי, תרצו להשקיע במנוע סרוו מסוג כלשהו.

בעוד שעקרונות האופן שבו התנועה ב- מנוע סרוו שנוצר נשאר ברובו זהה למנוע חשמלי רגיל, הוספת מערכות משוב מאפשרות למערכת לנטר את התפוקות שלה מבחינת מהירות, מומנט ומיקום.

משוב מושג באמצעות חיישן (כגון מקודד או רזולוטור) בתוך המנוע, אשר מזהה את מצב החומרה ושולח אות חזרה להנעת סרוו או לבקר, אשר בודקים שהפלט הנמדד תואם את הערך שנקבע. לאחר מכן, הבקר מעבד את האות, מתקן כל סטייה (שגיאה) ולאחר מכן מתאים את פעולת המנוע בהתאם. 

התיקון מתבצע באמצעות אלגוריתמי בקרה כגון בקרת PID (Proportional-Integral-Derivative), המאפשרת פעולה יציבה ומדויקת של המנוע (וכל מה שהמנוע מניע).  

זה מכונה מערכת בקרה בלולאה סגורה, וזהו לב ליבה של מה שמבדיל מנוע סרוו ממנוע מסורתי עם בקרת לולאה פתוחה.

מהם סוגי מנועי סרוו השונים?

ניתן לחלק מנועי סרוו לשתי קטגוריות באופן כללי על סמך תנועתם. אלו הן מנועי סרוו ליניאריים ומנועי סרוו סיבוביים. מנועי סרוו ליניאריים ומנועי סרוו סיבוביים מגיעים במגוון צורות.

באופן ספציפי, ניתן לחלק את הטעמים הללו עוד יותר לפי סוג הזרם (DC או AC), סוג קומוטציה (עם מברשות או ללא מברשות), או לפי סוג בקרה (סטפר או אינדוקציה).

בואו נבחן ביתר פירוט מה מגדיר את סוגי המנועים הללו.

מנועי סרוו ליניאריים

מנועי סרוו ליניאריים, כפי ששמם מרמז, מספקים תנועה טרנסלציונית (קדימה ואחורה או מצד לצד) ללא צורך בחומרה נוספת, כגון ברגי מוביל, גלגלי שיניים או רצועות.

הם משיגים תנועה זו הודות לרכיב המכונה "ראשוני" (הידוע גם כ"כוח" או "סטטור") המכיל סלילי סליל המסודרים על מסלול ישר, אשר מתמגנטים כאשר מופעל זרם. 

הסלילים הממוגנטים מקיימים אינטראקציה עם מערך של מגנטים קבועים הממוקמים ב"משני" (המכונה "מסילה" או "משטח"), ומייצרים כוח לורנץ וכך מניע את הכוח לאורך המסילה. זוהי התנועה הליניארית.

מאפיינים:

• מנועי סרוו ליניאריים הם מדויקים ביותר, ומסוגלים לדיוק מיקום עד לרמות תת-מיקרון.
• הודות לפעולות ההנעה הישירה שלהם, הם יעילים ביותר עם הפסדי אנרגיה מינימליים.
• הם מסוגלים לתגובה מהירה מבחינת תאוצה והאטה, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור יישומים דינמיים.

יתרונות:

• מנועי סרוו ליניאריים מסוגלים לתנועה ליניארית ישירה, אינם דורשים חומרה נוספת. זה הופך אותם לקלי משקל ודורשים תחזוקה מינימלית.
• הם חלקים ושקטים, הודות לחוסר המגע בין החלקים הנעים. משמעות הדבר היא גם שאין חופש פעולה, כפי שניתן למצוא במערכת מבוססת בורג עופרת.
• למנועי סרוו ליניאריים יש רמה גבוהה של מדרגיות, כלומר ניתן לתכנן אותם לספק תנועה על פני מרחקים ארוכים וקצרים.

יישומים:

• מערכות איסוף והצבה, מכונות מדידה של קואורדינטות, מערכות אופטיות, אוטומציה של מעבדות.

מנועי סרוו סיבוביים

רוב מנועי הסרוו המועסקים ביישומים מסחריים ותעשייתיים הם מנועים סיבוביים.  

הם זמינים הן בזרם AC והן בזרם DC, ובדרך כלל משתמשים במקודד כדי לספק משוב לבקר/להנעה. התנועה נוצרת באמצעות מערכת סטטור ורוטור. 

ניתן להשתמש במנועי סרוו סיבוביים גם כחלק ממערכות ליניאריות, באמצעות ברגי מוביל או ברגי כדורים, כדי להמיר תנועה סיבובית לתנועה ליניארית. 

אבל לצורך מאמר זה, נשקול מנועי סרבו ליניאריים במונחים של יחידות עצמאיות היוצרות תנועה ליניארית ללא צורך בחומרה נוספת.

מאפיינים: 

• מנועי סרוו סיבוביים בולטים ביחס מומנט-אינרציה הגבוה שלהם, המאפשר האצה והאטה מהירות.
• יש להם יעילות גבוהה, המסייעת בהפחתת הפסדי חום ואנרגיה.
• למנועי סרוו סיבוביים יש תגובה דינמית מצוינת, המאפשרת להם להתמודד עם שינויים מהירים במהירות תחת תנאי עומס משתנים. 

יתרונות:

• מנועי סרוו סיבוביים הם רב-תכליתיים ביותר, וניתן להשתמש בהם במגוון רחב של יישומים. בעזרת חומרה נוספת (ברגי עופרת/כדור), ניתן גם להמיר אותם כדי לספק תנועה ליניארית.
• הם בעלי יכולת הסתגלות גבוהה, ומתאימים היטב הן ליישומים כבדים והן ליישומים קלים.
• מנוע מסוג זה מסוגל לפעולות מדויקות להפליא, המאפשרות בקרת מיקום עד לרמות דיוק של פחות ממעלה ואפילו קשת-שנייה.

יישומים:

• מנועי סרוו סיבוביים נמצאים בדרך כלל בתעשיית התעופה והחלל, אוטומציה תעשייתית, ייצור מוליכים למחצה, מכשירים רפואיים, מכונות CNC, מדפסות תלת מימד ועוד.

מנועי סרוו AC

ניתן לסווג מנועי סרוו עוד יותר לפי סוג הזרם בו הם משתמשים (AC או DC). 

עבור יישומים תעשייתיים, מנועי סרוו AC הם הנפוצים ביותר, בשל מגוון רחב של מתחים ורמות הספק שהם יכולים להתמודד איתם. 

מנועי סרוו AC זמינים הן בסוגים ליניאריים והן בסוגים סיבוביים.

מנועי סרוו AC במתח נמוך עד בינוני

כשם שישנם מנועי סרוו במתח גבוה, ישנם גם גרסאות מתח "נמוך" אשר לטובת מאמר זה נסווג כמנוע סרוו AC עם מתח נמוך מ-480 וולט. כן, במתח נמוך אנו מתכוונים ל"נמוך" יחסית. באופן טבעי, התחשמלות של 480 וולט תהיה מזיקה למדי לגוף האדם, אך במונחים של מכונות תעשייתיות, היא די נמוכה.

מנועי סרוו אלה מגיעים בגודל קטן, והם אידיאליים עבור יישומים הדורשים טביעת רגל קטנה יותר. למרות גודלם הזעיר, הם עדיין מסוגלים לספק כמויות סבירות של הספק בטווח קילוואט.

בדרך כלל, הם מגיעים בסוגים תלת-פאזיים, מציעים צפיפות מומנט גבוהה לגודלם, והם חזקים, אמינים ומציעים רמה גבוהה של דיוק ויעילות.

מאפיינים:

• מתחים נמוכים יותר זמינים, החל מ-12 וולט עד 480 וולט.
• הם זמינים בנפח קטן יותר, עבור יישומים עם מגבלות מקום.
•  מנועי סרוו במתח נמוך יכולים לספק הספק של מעל 20 קילוואט.

יתרונות:

• הם מציעים איזון טוב בין ביצועים למחיר סביר בהשוואה למערכות מתח גבוה יותר.
• בשל המתח הנמוך יותר, ישנה עלות תפעול נמוכה יותר הקשורה למנועי סרבו בעלי מתח גבוה יותר, הודות לצורכי תשתית חשמלית מופחתים (שנאים וכו').
• קיים סיכון מופחת לסכנות מתח גבוה (כגון קשתות וכשל בציוד) בעת התמודדות עם מנועי סרוו במתח נמוך.
  

יישומים:

• רובוטים תעשייתיים, קובוטים, מערכות טיפול בחומרים, מכונות אריזה, מכונות דפוס

מנועי סרוו AC במתח גבוה

מנועי סרוו AC בעלי מתח גבוה פועלים בדרך כלל בטווח של 300 וולט עד 480 וולט ומתאימים היטב ליישומים תעשייתיים כגון עיבוד שבבי CNC, בהם נדרשים כוחות גבוהים. 

מנועים אלה, יחד עם מנועי סרוו מיוחדים במתח גבוה, יכולים לספק תפוקת הספק גבוהה (בטווח קילוואט) מבלי לדרוש הגדלה משמעותית של גודל המנוע, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור מכונות קומפקטיות בעלות ביצועים גבוהים.

מאפיינים:

• מנועי סרוו AC במתח גבוה נוטים להיות חזקים ועמידים מאוד, דבר הנדרש בסביבות תעשייתיות כבדות.
• מערכות מתח גבוה מגיעות לרוב מצוידות במערכות קירור אקטיביות, כגון מערכות קירור נוזלי או מאווררים.
• ייתכן שהם דורשים עלויות ראשוניות ותפעול גבוהות יותר עקב הצורך בתשתית חשמל מתקדמת ודרישות אלקטרוניקה להספק.

יתרונות:

• פעולה במתחים גבוהים יותר פירושה שנדרשים זרמים נמוכים יותר עבור אותה תפוקת הספק. זה מועיל במיוחד להפחתת הפסדים
• דרישות זרם נמוכות יותר גורמות ליצירת חום מופחתת. ניתן להשתמש בחוטים בעובי נמוך יותר, מה שמפחית עלויות.
• סרוו AC במתח גבוה מסוגלים לייצר מומנט גבוה במיוחד.

יישומים:

• רובוטיקה כבדה, מפעילים לחלל, CNC תעשייתי, מכונות טקסטיל, בקרת גובה טורבינות רוח, מערכות מעקב סולאריות

מנוע סרוו סינכרוני AC

רוב מנועי הסרוו AC הם מסוג זה, כלומר הרוטור מסתובב באותה מהירות בדיוק כמו השדה המגנטי המסתובב (RMF) של הסטטור, כלומר אין השהיה (המכונה "החלקה") בין ה-RMF לרוטור. הם סינכרוניים (ומכאן השם המבריק).

• מאפייניםמנועי סרוו סינכרוניים AC ידועים בצפיפות המומנט הגבוהה שלהם ובמהירות העקבית שלהם.
• בשל חוסר ההחלקה, יש להם דיוק מיקום מעולה באמצעות אמצעי בקרה רגילים.
• יתרונותיעילות, אמינות תחת עומסים משתנים ובקרת מהירות מדויקת.
• יישומיםנמצא בשימוש נרחב ברובוטיקה, מכונות אריזה ואוטומציה תעשייתית הדורשת ביצועים עקביים.

מנועי סרוו AC אסינכרוניים

רוב מנועי סרוו AC הרגילים הם סינכרוניים, כפי שנדון בסעיף הקודם. הם נוטים גם להיות מבוססי מגנט קבוע, או DC ללא מברשות (BLDC).

עם זאת, קיימים מנועי סרוו AC אסינכרוניים, והם למעשה מנועי אינדוקציה עם יכולות בקרה נוספות. בהיותם אסינכרוניים, הם חווים הבדל במהירות בין המהירות הסינכרונית של הסטטור למהירות הרוטור. הבדל זה מיוצג בדרך כלל באחוזים, ומכונה "החלקה".

מנועי אינדוקציה הם תת-קבוצה של מנועי AC, המשתמשים באינדוקציה הנוצרת מזרמים מושרים ברוטור. זאת בניגוד למנועי מגנט קבוע, המייצרים מומנט מהמגנטים ומהשדה האלקטרומגנטי של הסטטור. 

על מנת להשיג את אותן רמות דיוק כמו מנועי סרוו AC מסורתיים, מנועי סרוו AC אסינכרוניים חייבים להיות מסוגלים לבקרת וקטור מורכבת, כגון בקרה מוכוונת שדה (FOC), בשילוב עם מקודדים או רזולוורים למשוב. בקרה נוספת זו מאפשרת בקרה דינמית על ההחלקה של מנוע ה-AC האסינכרוני.

מאפיינים:

• מנועי סרוו AC אסינכרוניים עשויים לכלול כלוב סנאי, או רוטור מלופף עם טבעות החלקה.
• בדרך כלל הם דורשים בקרת FOC כדי להשיג כל סוג של דיוק. 

יתרונות:

• הם אינם נוטים לדה-מגנטיזציה, בניגוד למנועים בעלי מגנט קבוע.
• מנועי סרוו AC אסינכרוניים יכולים להיות זולים יותר לייצור בהשוואה למנועי מגנט קבוע.
  

יישומים:

• מערכות מסוע, משאבות, טיפול בחומרים, מעליות.

מנועי סרוו DC

מנועי סרוו DC בדרך כלל פועלים על פי אותם עקרונות כמו מנועי סרוו AC, אם כי הם משתמשים בזרם ישר ולא בזרם חילופין כדי להפעיל אותם. הם בדרך כלל קלים וקטנים יותר מאחיהם החזקים יותר, ובאופן כללי, גם זולים יותר.

למרות העלות הנמוכה (יותר), הם עדיין בעלי יכולות גבוהות מבחינת יעילות ודיוק, ובעלי אינרציה נמוכה, המאפשרת שינויי כיוון ושינויי מהירות מהירים. הם דו-כיווניים מטבעם, ומאפשרים סיבוב ציר בכיוון השעון ונגד כיוון השעון, ביעילות שווה. 

מאפיינים:

• מנועי סרוו DC יעילים מאוד עם הפסדי חום נמוכים.
• הם יכולים להיות מופעלים על ידי סוללות, כגון סוללות ליתיום-פולי או סוללות עופרת-חומצה.
• הם מסוגלים לסיבוב דו-כיווני יעיל.

יתרונות:

• מנועי סרוו DC יכולים לפעול ביעילות על פני מגוון רחב של מהירויות, מה שהופך אותם למתאימים היטב ליישומים בעלי מהירות משתנה.
• יש להם פחות מורכבות בהשוואה למנועי סרוו AC, וזה בא לידי ביטוי בעלות הנמוכה יותר.
• מנועי סרוו DC אידיאליים לפעולות בעלות צריכת חשמל נמוכה.
  

יישומים:

• מערכות מצלמה, גימבלים, כלי רכב חשמליים, תותבות, נגני מדיה אופטיים (DVD / Blu-ray וכו')

מנועי סרוו מברשות

מנועי סרוו DC מגיעים בסוגים עם מברשות וללא מברשות, הנבדלים זה מזה באופן שבו הם מטפלים בקומוטציה. קומוטציה היא תהליך של החלפת כיוון הזרם בסלילי המנוע כדי לשמור על סיבוב רציף ויצירת מומנט.

מנועי סרוו DC עם מברשות משתמשים בקומוטציה מכנית, שבה מברשות נוגעות פיזית בקומוטטור (טבעת מפולחת המחוברת לרוטור). כאשר הרוטור מסתובב, מקטעי הקומוטטור מעבירים ברצף את זרימת הזרם בסלילי הארמטורה, ומבטיחים שהאינטראקציה של השדה המגנטי ממשיכה לייצר מומנט בכיוון הנכון.

במערכת סרוו, מנגנוני משוב כגון מקודדים או פוטנציומטרים מאפשרים שליטה מדויקת במהירות, מומנט ומיקום, ובכך מבדילים מנועי סרוו DC ממנועי DC רגילים. 

מאפיינים: 

• למנועי סרוו DC עם מברשות יש עיצוב פשוט ועלות נמוכה יחסית ממנועי סרוו AC.
• מנועי DC עם מברשות מספקים מומנט התנעה גבוה מכיוון שזרם הארמטורה מקסימלי ללא EMF אחורי, מה שמתגבר ביעילות על האינרציה.
• מברשות נתפסות כדבר מתכלה, ויש להחליפו מעת לעת.

יתרונות: 

• מנועי DC עם מברשות הם פתרון חסכוני עבור יישומים בעלי מהירות נמוכה ומומנט גבוה.
• ניתן לשלוט בקלות במהירות ובמומנט על ידי כוונון המתח או הזרם המופעלים.

יישומים: 

• רובוטיקה, מסועים, ציוד תעשייתי קטן הדורש דיוק.

מנועי סרוו ללא מברשות

מנועי סרוו DC ללא מברשות מבטלים את הצורך במברשות מכניות וקומוטטורים, ומשתמשים בקומוטציה אלקטרונית כדי לשלוט בזרם בסלילי הסטטור. מנגנון משוב (בדרך כלל חיישן אפקט הול או מקודד) מנטר את מיקום הרוטור כדי לסנכרן את השדה המגנטי של הסטטור עם תנועת הרוטור. 

המומנט נוצר על ידי האינטראקציה בין השדה האלקטרומגנטי של הסטטור לבין המגנטים הקבועים של הרוטור, מה שמאפשר שליטה מדויקת ויעילה במהירות ובמיקום.

כתוספת, רוב מנועי סרוו AC הם גם "ללא מברשות" מעצם הגדרתם.

מאפיינים: 

• יעילות גבוהה, תחזוקה נמוכה, רעש מופחת וגודל קומפקטי.

יתרונות: 

• חיי פעולה ארוכים, טווח מהירויות גבוה יותר ואמינות טובה יותר.

יישומים:

• אידיאלי למכונות CNC, רחפנים ומכשירים רפואיים הדורשים בקרת תנועה בעלת ביצועים גבוהים.

מנוע סרוו צעדמנועי צעד רגילים הם מנועי DC סינכרוניים ללא מברשות, הנעים בצעדים נפרדים, ומאפשרים בקרת מיקום מדויקת ללא צורך במערכת משוב. עם זאת, מכיוון שהם פועלים במערכת בלולאה פתוחה, הם אינם יכולים לזהות שגיאות אם הם חורגים מהמהירות או מפספסים צעדים.

מנועי סרוו צעד, לעומת זאת, משלבים תנועה בשלבים עם מנגנון משוב (בדרך כלל מקודד), מה שמאפשר בקרת לולאה סגורה לדיוק גבוה יותר, יעילות מומנט משופרת ותיקון שלבים שהוחמצו.

לכן, מנועי סרוו צעד הם בעצם מנועי צעד, אבל טובים יותר!

מאפיינים: 

• למנועי סרוו צעד יש בקרת לולאה סגורה מעצם הגדרתם.
• הם מנועי DC ללא מברשות עמוק בפנים, למרות שהם מפגינים כמה מאפייני AC (הם סינכרוניים, למשל).
• דגמים מסוימים משתמשים בבקרה סינוסואידלית חלקה יותר לתנועה שקטה וחלקה יותר (בדומה גם למנועי AC).

יתרונות: 

• מנועי סרוו צעד יכולים לשמור על מומנט במהירויות גבוהות יותר ולהפחית תהודה, מה שמאפשר ביצועי מהירות ומומנט טובים יותר בהשוואה למנועי צעד רגילים.
• הם יכולים גם לשמור על מומנט במהירויות גבוהות יותר, בניגוד למנועי צעד רגילים.
• המשוב מאפשר תיקונים בזמן אמת, ובכך משפר את הדיוק.

יישומים:

• אוטומציה תעשייתית, מכונות CNC, מדפסות תלת מימד, רובוטיקה, תעופה וחלל, מערכות לווייניות.

סיכום

במאמר זה, בדקנו כיצד ניתן לסווג מנועי סרוו לקטגוריות רחבות, כגון לפי זרם קלט (AC או DC), סוג תנועה (סיבובית או ליניארית), מתח (גבוה או נמוך) וסוג הקומוטציה (במקרה של מנועי סרוו DC).

כמובן, ישנן תת-קטגוריות נוספות של מנוע סרוו ייעודי שאנו יכולים לחלק אותן אליהן עוד יותר, אבל זה למאמר אחר. 

הבנת ההבדלים בין סוגים שונים, אפילו ברמה גבוהה זו, יכולה להבטיח בחירה אופטימלית עבור מקרי שימוש ספציפיים. 

באופן טבעי, לדעת איזה סוג של מנוע סרוו מתאים ביותר לצרכים שלכם הוא רק חלק אחד מהמשוואה. לדעת היכן ניתן להשיג חומרת תנועה אמינה חשוב לא פחות. בחירת מותג אמין יכולה לסייע בהפחתת זמן השבתה ועלויות לטווח ארוך, במיוחד בפעולות קריטיות. ובכן, אל דאגה, כי גם כאן אנחנו מכסים אתכם.

מותגים מובילים כמו ABB, Ametek, Allied Motion ואחרים מספקים באופן עקבי מנועי סרוו סיבוביים באיכות גבוהה, מה שמבטיח ביצועים אמינים במגוון תעשיות. 

ואם תנועה לינארית היא הקטע שלכם, אז אתם יכולים לבדוק חברות כמו Geeplus, H2W Technologies, Tolomatic או HyperCyl למידע נוסף.

כל החברות הללו מייצרות חומרה שהוכחה כתואמת עם מנועי סרוו של AMC. לרשימה מקיפה יותר של צדדים שלישיים המייצרים מנועי סרוו תואמים, בקרו באתר לקישור הזה.