Bezkomutátorové stejnosměrné motory se také nazývají ventilové motory, v zahraniční literatuře BLDCM (BrushLes Direct Current Motor) nebo PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor).
Konstrukčně se bezkomutátorový motor skládá z rotoru s permanentními magnety a statoru s vinutím. Upozorňuji na skutečnost, že u komutátorového motoru jsou vinutí naopak na rotoru.
sběrač a bezkartáčový
Pojďme se nejprve naučit, jak funguje kartáčovaný motor.
Abyste věděli, proč jsou bezkomutátorové motory tak účinné a výkonné, musíte vědět, jak funguje standardní kartáčovaný motor.
Běžné kartáčované elektromotory mají pouze dva vodiče (kladný a záporný), které spojují motor s regulátorem otáček. Uvnitř krytu motoru můžete vidět dva zakřivené permanentní magnety a uprostřed je hřídel s kotvou, na které jsou navinuty měděné dráty. Na jedné straně hřídele kotvy je instalováno ozubené kolo motoru, na druhé straně hřídele je tzv. kolektor z měděných plátů, kterým je pomocí uhlíkových kartáčů přiváděn proud do vinutí kotvy.
Dva uhlíkové kartáče neustále kloužou po rotujícím měděném komutátoru. Jak můžete vidět na obrázku výše, napětí je přiváděno přes dráty přes kartáče a komutátor do vinutí kotvy, čímž vzniká elektromagnetické pole, které interaguje s permanentními magnety statoru a způsobuje rotaci kotvy.
Jak se standardní komutátorový motor začne otáčet.
Při střídavém přivádění stejnosměrného elektrického proudu do vinutí kotvy v nich vzniká elektromagnetické pole, které má na jedné straně „severní“ pól a na druhé „jižní“ pól. Protože „severní“ pól jakéhokoli magnetu se automaticky odpuzuje od „severního“ pólu jiného magnetu, elektromagnetické pole jednoho z vinutí kotvy, interagující s póly permanentních magnetů statoru, způsobí rotaci kotvy. Přes komutátor a kartáče teče proud do dalšího vinutí kotvy, což způsobí, že se kotva spolu s hřídelí motoru dále otáčí a tak dále, dokud je do motoru přiváděno napětí. Kotva komutátorového motoru má obvykle tři vinutí (tři póly) – to zabraňuje zaseknutí motoru v jedné poloze.
Nevýhody kartáčovaných motorů se projeví, když z nich potřebujete získat obrovské množství otáček. Vzhledem k tomu, že kartáče musí být neustále v kontaktu s komutátorem, dochází v místě kontaktu ke tření, které se zejména při vysokých rychlostech výrazně zvyšuje. Jakákoli závada na komutátoru vede k výraznému opotřebení kartáčů a špatnému kontaktu, což následně snižuje účinnost motoru. To je důvod, proč seriózní závodníci brousí a leští rozvody motoru a mění kartáče téměř po každém závodě. Sestava komutátoru standardního motoru je také zdrojem rádiového rušení a vyžaduje zvláštní pozornost a údržbu.
Nyní se podívejme, jak funguje bezkomutátorový motor.
Hlavním konstrukčním rysem bezkomutátorového motoru je, že jeho princip fungování je podobný kartáčovanému motoru, ale vše je uspořádáno „uvnitř ven“ a není zde žádný komutátor a kartáče. Permanentní magnety, které jsou u komutátorového motoru instalovány na stacionárním statoru, jsou u bezkomutátorového motoru umístěny kolem hřídele a tato jednotka se nazývá rotor. Drátová vinutí bezkomutátorového motoru jsou umístěna kolem rotoru a mají několik různých magnetických pólů. Bezsenzorové bezkomutátorové motory mají na rotoru snímač, který vysílá signály o poloze rotoru do procesoru elektronické regulace otáček.
Díky absenci komutátoru a kartáčů nemá bezkomutátorový motor kromě kuličkových ložisek rotoru žádné díly podléhající opotřebení, díky čemuž je automaticky účinnější a spolehlivější. Účinnost také výrazně zvyšuje přítomnost snímače řízení otáčení rotoru. U komutátorových motorů nedochází k jiskření kartáčů, což prudce snižuje výskyt rušení a nepřítomnost jednotek s vysokým třením má příznivý vliv na teplotu pracujícího motoru, což také zvyšuje jeho účinnost.
Jedinou možnou nevýhodou bezkomutátorového systému je mírně vyšší cena, ale každý, kdo zažil vysoký výkon bezkomutátorového systému a poznal krásu toho, že nemusí pravidelně vyměňovat kartáče, pružiny, komutátory a armatury, rychle ocení celkovou úsporu a nevrátí se k kartáčovaným motorům. nikdy!
Kromě základních velikostí a různých parametrů lze bezkomutátorové motory rozdělit podle typu: se senzorem a bez senzoru. Motor se snímačem využívá velmi malý snímač na rotoru a kromě tří silných kabelů, kterými motor přijímá energii, má další smyčku tenkých drátů, která spojuje motor s regulátorem otáček. Další vodiče přenášejí informace ze snímače o poloze rotoru stovkykrát za sekundu. Tyto informace jsou zpracovávány elektronickým regulátorem otáček, což motoru umožňuje co nejhladší a nejefektivnější chod. Tyto motory používají profesionální závodníci, ale tyto motory jsou mnohem dražší a obtížněji se používají.
Bezsenzorový bezkomutátorový systém, jak asi tušíte, nemá žádné senzory ani přídavné vodiče a rotor takových motorů se otáčí, aniž by přesně registroval svou polohu a rychlost regulátorem rychlosti. To usnadňuje výrobu motoru a regulátoru otáček, snadnější instalaci a obecně levnější. Bezsenzorové systémy mohou dodávat stejný výkon jako bezsenzorové systémy, jen s o něco menší přesností, díky čemuž jsou ideální pro amatéry a začínající sportovce.
Ve strojírenství neexistují ideální řešení, je možné najít pouze optimální řešení pro konkrétní aplikační problém. Možná technická řešení pro řízení pohybu se značně liší v závislosti na aplikaci – od zařízení pro průzkum vesmíru, kde jsou náklady zanedbatelné a je vyžadována absolutní spolehlivost provozu, až po vysokorychlostní balicí linky, které fungují XNUMX hodin denně, XNUMX dní v týdnu. Naštěstí mají vývojářské týmy na výběr z mnoha možností. Jedním z klíčových rozhodnutí, které musíte udělat, je, zda použít kartáčovaný nebo bezkomutátorový stejnosměrný motor. Chcete-li to provést, musíte pochopit Jaký je rozdíl mezi kartáčovými motory a bezkomutátorovými motory? analog.
Kartáčové stejnosměrné motory
Než se podíváme na klady a zápory, podívejme se na konstrukci elektromotoru. Elektromotor se skládá z rotoru (také nazývaného kotva) a statoru. I když existují také některé varianty, kde motory mají stacionární rotor a rotující stator, omezme pro účely tohoto článku naši diskusi na motor se stacionárním statorem obklopujícím centrální dopřádací rotor. Stator se skládá z dvojice permanentních magnetů s opačnými póly a rotor je vyroben z příčky ovinuté drátem v opačných směrech na každé straně (viz obr. 1). Když jsou obě cívky připojeny ke zdroji energie, fungují jako elektromagnety s opačnou polaritou.
Elektromotory fungují díky Lorentzovým silám, které vznikají, když elektrický proud prochází vinutím umístěným v magnetickém poli. Vlivem těchto sil se rotor otáčí kolem své osy. Točivý moment produkovaný Lorentzovou silou je křížový součin, což znamená, že když jsou póly elektromagnetů tvořených vinutím rotoru vyrovnány s opačnými póly magnetů statoru, síla klesne na nulu a rotor se přestane otáčet.
Změna směru proudu ve vinutí však povede ke změně polarity elektromagnetů. Napájení bude obnoveno a rotor se obnoví. Pokud k této změně dojde při každém průchodu svislice statoru, rotor se bude nadále otáčet a vykonávat užitečnou práci.
Ke změně směru proudu při kontrolované frekvenci vyžadují kartáčované stejnosměrné motory komutátor. Kolektor je prstenec rozdělený na segmenty a vhodně připojený ke každému z vinutí rotoru. Když se rotor otáčí, totéž se děje s komutátorem. Pro přívod proudu do kolektoru je k němu z protilehlých stran přitlačena dvojice pevných kartáčů (viz obr. 2). Jak se komutátor/rotor otáčí, každý segment komutátoru se dotýká nejprve jednoho kartáče/zdroje proudu a poté druhého postupně. V důsledku toho se proud v cívkách rotoru mění při každém otočení rotoru o 180°, čímž se zachovává rotace motoru.
Jedná se o velmi jednoduchý model prezentovaný jako příklad. Jak je vysvětleno v tutoriálu, z praktických důvodů mají kartáčované stejnosměrné motory obvykle tři nebo více fází.
Kartáče mohou být vyrobeny z různých materiálů: slitiny na bázi uhlíku, jako je grafit-měď nebo grafit-stříbro, drahé kovy, jako je zlato, stříbro nebo platina. Výběr vhodného materiálu kartáče závisí na konkrétní aplikaci.
Grafitové kartáče jsou vyrobeny z pevných kusů grafitu. Grafitové kartáče jsou samomazné a poměrně odolné. Jsou vhodné pro velké motory pracující ve vysokých otáčkách (nad 1000 ot./min.). Nevýhodou grafitových kartáčů je, že v průběhu času vytvářejí nečistoty, které mohou znečistit komutátor a způsobit problémy s motorem. Je velmi důležité, aby se tyto kartáče používaly při dostatečně vysokých rychlostech k odstranění nečistot.
Kartáče z drahých kovů se skládají z jednotlivých vláken, což je činí křehčími než kartáčky na bázi grafitu. Kartáče z drahých kovů zároveň poskytují lepší výkon s nižším elektrickým šumem a zvukovým znečištěním. Jsou kompaktnější a účinnější v aplikacích s nízkým zatížením. Jsou také vhodné pro nízkonapěťové systémy, protože úbytek napětí mezi komutátorem a kartáčem bývá nízký. Na druhou stranu nemají samomazný účinek, což vede k většímu opotřebení a potřebě externích maziv.
Bezkomutátorové nebo kartáčové motory – klady a zápory
Abychom plně pochopili, jak se kartáčovaný motor liší od bezkomutátorového motoru, stojí za to zvážit všechny výhody a nevýhody obou typů. Kartáčované stejnosměrné motory jsou nejlepším řešením pro řízení pohybu. Jsou ekonomické a snadno se používají. Protože nevyžadují vestavěnou elektroniku, vydrží extrémní podmínky. Pokud jsou kartáče správně vybrány a udržovány, mohou kartáčované stejnosměrné motory vydržet dlouhou dobu. Jsou vhodné pro aplikace se středními až nízkými rychlostmi.
Kartáčové motory vyžadují odbornou obsluhu. Průchod určité proudové hustoty například vede k vyhoření kartáčů. Pokud je rychlost příliš vysoká, mohou kartáče odletět z komutátoru. Použití motorů s kartáčem v nadmořské výšce může vyžadovat speciální údržbu, jako je použití aditiv, jako je sulfid molybdenu nebo uhličitan lithný.
Potřeba komutátoru a kartáčů zvětšuje velikost motoru. Kartáče vyžadují pravidelnou údržbu, proto je třeba mít motory na dosah. Protože rotor s vinutím je umístěn uvnitř (stator), mohou kartáčované motory odvádět teplo pouze vzduchovou mezerou, což komplikuje problém přenosu tepla. Pokles napětí na kartáčích snižuje účinnost kartáčovaných motorů.
Konečně, tření kartáče o kontakty komutátoru dále snižuje účinnost a vytváří slyšitelný hluk. Tření má za následek snížení točivého momentu při vysokých otáčkách. Kromě výše uvedených nevýhod může tření mezi kartáči a komutátorem také způsobit oblouk a zvýšené elektromagnetické rušení (EMI); a v nejhorším případě mohou vznikat jiskry, takže kartáčované stejnosměrné motory nejsou vhodné pro použití ve výbušném prostředí.
Bezkomutátorové DC motory (Brushless DC Motors)
Alternativou jsou bezkomutátorové stejnosměrné (BLDC) motory (Brushless Direct Current (BL) motory) nebo elektronicky komutované motory (ECM). BLDC motory jsou synchronní motory s permanentními magnety. Mohou pracovat jako servomotory i jako krokové motory. Tato definice zahrnuje také odporově spínané motory. Pro účely srovnání zvažte konstrukci motoru BLDC, což je kartáčovaný stejnosměrný motor obrácený naruby. Na rotoru jsou namontovány permanentní magnety a stator se skládá z vrstveného rámu s cívkami. Výsledkem je, že rotor nepotřebuje žádnou kabeláž a motor nepotřebuje komutátor nebo kartáče.
Přestože jsou BLDC motory klasifikovány jako stejnosměrné motory a jsou napájeny stejnosměrným zdrojem, mají mnoho podobností se střídavými motory. Pro udržení rotace rotoru musí být vinutí statoru napájeno v sérii; V zásadě se jeví jako pulzní zdroj proudu, typicky se sinusovým průběhem, když se používá pro řízení serva. Aby se sladilo rozložení magnetického pole generovaného statorovými vinutími s rozložením magnetického pole rotoru, u BLDC motorů je úhlová poloha rotoru řízena, obvykle pomocí Hallových senzorů. Tato zpětná vazba se používá k řízení spínání proudu přes vinutí.
Protože motory BLDC nepoužívají kartáče ani komutátory, jsou kompaktnější než motory s kartáčem. Poskytují vyšší výkon v jedné velikosti. Absence kartáčů snižuje potřebu údržby a umožňuje rotaci rotoru při vyšších rychlostech. Nedostatek tření zplošťuje křivku rychlosti/kroutícího momentu, eliminuje možnost jiskření a snižuje elektromagnetické rušení (EMI). Přesunutí vinutí generujících teplo směrem ven zjednodušuje odvod tepla. Tento přístup také snižuje setrvačnost rotoru, což umožňuje BLDC servům poskytovat lepší dynamickou odezvu. Absence poklesu napětí na kartáčích také zlepšuje účinnost BLDC motorů.
Na druhou stranu jsou BLDC motory složitější než jejich kartáčované protějšky. Použití vestavěné elektroniky výrazně zvyšuje jejich cenu.
Jak bylo řečeno na začátku tohoto článku, výběr typu motoru je dán požadavky, které jsou na něj kladeny. Projekt s omezeným rozpočtem a středními požadavky na výkon motoru lze dokonale realizovat pomocí kartáčovaného stejnosměrného motoru. Pokud jsou pro projekt důležitější výkon a pracovní cyklus, může být BLDC motor nejlepším řešením. Výrobce původního zařízení a koncoví uživatelé musí zvážit nejen možnosti motoru, ale také schopnosti jeho personálu zařízení instalovat a udržovat. Efektivní technické řešení lze dosáhnout pouze s fundovaným výběrem zařízení.
