Bezkomutátorové stejnosměrné (BLDC) motory jsou typem synchronního motoru s permanentními magnety, který je napájen stejnosměrným obvodem přes invertor ovládaný zpětnovazebním regulátorem. Regulátor dodává fázím motoru napětí a proudy potřebné k vytvoření požadovaného točivého momentu a provozu při požadovaných otáčkách. Tento regulátor nahrazuje sestavu kartáč-komutátor používanou u kartáčovaných stejnosměrných motorů. Bezkomutátorové motory mohou pracovat jak s napětími na vinutích ve formě čisté sinusovky, tak v po částech (např. s blokovou komutací).
Bezkomutátorové stejnosměrné motory se objevily jako pokus zbavit stejnosměrné motory s permanentními magnety jejich slabého místa – sestavy kartáč-komutátor. Tato jednotka, která je otočným elektrickým kontaktem, je slabým místem komutátorových motorů z hlediska spolehlivosti a v některých případech omezuje jejich parametry.
Princip činnosti a konstrukce bezkomutátorového motoru
Stejně jako ostatní motory se i bezkomutátorový motor skládá ze dvou hlavních částí – rotoru (pohyblivá část) a statoru (nehybná část). Většina bezkomutátorových stejnosměrných motorů je třífázových, takže na statoru je třífázové vinutí. Rotor nese permanentní magnet, který může mít jeden nebo více párů pólů. Když je na vinutí statoru aplikován třífázový napěťový systém, vinutí vytváří rotující magnetické pole. Spolupracuje s permanentním magnetem na rotoru a uvádí jej do pohybu. Jak se rotor otáčí, jeho vektor magnetického pole se otáčí směrem k magnetickému poli statoru. Řídicí elektronika sleduje směr, kterým se ubírá magnetické pole rotoru, a mění napětí aplikovaná na vinutí statoru tak, aby se magnetické pole generované vinutím statoru otáčelo před magnetickým polem rotoru. Pro určení směru magnetického pole rotoru se používá snímač polohy rotoru, protože magnet, který toto pole vytváří, je pevně připevněn k rotoru. Napětí na vinutí bezkomutátorového motoru lze generovat různými způsoby: jednoduchým přepínáním vinutí každých 60° rotace rotoru nebo generováním sinusových napětí pomocí pulzně šířkové modulace.
Možnosti konstrukce motoru
 |  |  |
 |  |  |
Vinutí motoru může mít různé konstrukce. Vinutí klasického provedení je navinuto na ocelovém jádru. Další možností provedení vinutí je vinutí bez ocelového jádra. Vodiče tohoto vinutí jsou rovnoměrně rozmístěny po obvodu statoru. Charakteristiky vinutí jsou různé, což se odráží na vlastnostech motoru. Kromě toho mohou být vinutí vyrobena pro jiný počet fází a s různým počtem pólových párů.
Bezkomutátorové motory mohou mít také konstrukce, které se liší vzájemnou polohou rotoru a statoru. Nejběžnější provedení je, kdy je rotor zvenčí krytý statorem – motory s vnitřním rotorem. Ale je také možné a v praxi se vyskytující provedení, ve kterém je rotor umístěn mimo stator – motory s vnějším rotorem. Třetí možností je, že stator je umístěn rovnoběžně s rotorem a oba jsou umístěny kolmo k ose otáčení motoru. Takové motory se nazývají motory axiální konstrukce.
Snímač polohy, který měří úhlovou polohu rotoru motoru, je důležitou součástí pohonného systému postaveného na bezkomutátorovém motoru. Tento snímač se může velmi lišit jak typem, tak principem činnosti. Typ senzorů tradičně používaný pro tento účel jsou Hallovy senzory s logickým výstupem, instalované na každé fázi motoru. Výstupní signály těchto snímačů umožňují určit polohu rotoru s přesností až 60° – dostačující pro realizaci nejjednodušších způsobů ovládání vinutí. Pro implementaci metod řízení motoru, které zahrnují vytvoření sinusového napěťového systému na vinutí motoru pomocí PWM, je zapotřebí přesnější senzor, například kodér. Inkrementální enkodéry, velmi široce používané v moderních elektrických pohonech, mohou poskytnout dostatečné informace o poloze rotoru pouze ve spojení s Hallovými snímači. Pokud je střídavý motor vybaven snímačem absolutní polohy – absolutním kodérem nebo resolverem (ASKVT), pak Hallovy snímače již nejsou potřeba, protože kterýkoli z těchto snímačů poskytuje kompletní informace o poloze rotoru.
Bezkomutátorový motor můžete ovládat bez použití snímače polohy rotoru – bezsenzorová komutace. V tomto případě se informace o poloze rotoru obnoví na základě údajů z jiných snímačů, například snímačů fázového proudu motoru nebo snímačů napětí. Tento způsob řízení s sebou často nese řadu nevýhod (omezený rozsah otáček, vysoká citlivost na parametry motoru, speciální postup spouštění), což omezuje jeho rozšíření.
Výhody a nevýhody
Vysoká spolehlivost díky absenci kolektoru. To je hlavní rozdíl mezi bezkomutátorovými motory a kartáčovými motory. Kartáč-kolektor je pohyblivý elektrický kontakt a sám o sobě má nízkou spolehlivost a odolnost vůči různým vlivům prostředí.
Není třeba provádět údržbu kolektorové jednotky . To platí zejména pro střední a velké motory. U mikroelektromotorů nejsou opravy ve všech případech ekonomicky opodstatněné, proto pro ně tento bod není relevantní.
Komplexní schéma ovládání. Přímý důsledek přenesení funkce spínání proudů vinutí na externí komutátor. Pokud v nejjednodušším případě pro ovládání kartáčovaného motoru potřebujete pouze zdroj energie, pak pro bezkomutátorový motor tento přístup nefunguje – regulátor je potřebný i pro řešení nejjednodušších úloh řízení pohybu. Pokud však jde o řešení složitých případů (například problémy s polohováním), regulátor se stává nezbytným pro všechny typy motorů.
Vysoká rychlost otáčení. U komutátorových motorů je rychlost pohybu kartáče podél komutátoru omezená, i když se liší pro různé konstrukce obou částí a různé použité materiály. Maximální rychlost pohybu kartáčů podél komutátoru značně omezuje rychlost otáčení komutátorových motorů. Bezkomutátorové motory takové omezení nemají, což jim umožňuje pracovat rychlostí až několik set tisíc otáček za minutu – což je u kartáčových motorů nedosažitelná hodnota.
Vysoká hustota výkonu. Schopnost dosahovat vysokých výkonových hustot je důsledkem vysokých rychlostí otáčení, které má bezkomutátorový motor k dispozici.
Dobrý odvod tepla z vinutí. Vinutí bezkomutátorových motorů je pevně uloženo na statoru a je možné zajistit dobrý tepelný kontakt se skříní, která odvádí teplo vznikající v motoru do okolí. U kartáčovaného motoru je vinutí namontováno na rotoru a jeho tepelný kontakt s pouzdrem je mnohem horší než u bezkomutátorového motoru.
Více drátů k připojení. Když je motor umístěn v blízkosti ovladače, rozhodně to není důvod ke smutku. Pokud jsou však okolní podmínky, ve kterých motor pracuje, velmi složité, pak je pro vývojáře systému někdy jedinou dostupnou možností přesunutí řídicí elektroniky do značné vzdálenosti (desítky a stovky metrů) od motoru. Za takových podmínek bude každý další obvod pro připojení motoru vyžadovat další jádra v kabelu, čímž se zvýší jeho velikost a hmotnost.
Snížení elektromagnetického rušení z motoru . Kontakt kartáč-kolektor vytváří během provozu poměrně silné rušení. Frekvence tohoto rušení závisí na otáčkách motoru, což ztěžuje jejich boj. U bezkomutátorového motoru je jediným zdrojem rušení PWM výkonových spínačů, jejichž frekvence je obvykle konstantní.
Přítomnost složitých elektronických součástek. Elektronické součásti (například Hallovy senzory) jsou zranitelnější než jiné součásti motoru vůči drsným podmínkám prostředí, ať už jde o vysokou teplotu, nízkou teplotu nebo ionizující záření. Kartáčované motory neobsahují elektroniku a nemají tuto zranitelnost.
Kde se používají bezkomutátorové motory
V současné době se bezkomutátorové motory rozšířily, a to jak díky jejich vysoké spolehlivosti, vysoké hustotě výkonu a schopnosti pracovat při vysokých rychlostech, tak díky rychlému vývoji polovodičové technologie, která zpřístupnila výkonné a kompaktní regulátory pro řízení těchto motorů.
Bezkomutátorové motory jsou široce používány v systémech, kde jejich vlastnosti dávají výhodu oproti jiným typům motorů. Například tam, kde je požadována rychlost otáčení několik desítek tisíc otáček za minutu. Pokud výrobek vyžaduje dlouhou životnost a oprava je nemožná nebo omezená kvůli provozním vlastnostem výrobku, pak bude dobrou volbou bezkomutátorový motor.
Kartáčovaný motor je typ elektromotoru, který využívá systém komutátoru a kartáče ke spínání proudu ve vinutích. Toto zařízení získalo své jméno díky přítomnosti speciálního prvku – kolektoru, který slouží k přepínání směru proudu ve vinutí kotvy.
Princip činnosti komutátorového motoru je založen na interakci magnetických polí statoru a rotoru. Stator vytváří konstantní magnetické pole a rotor rotující uvnitř statoru má vinutí, kterými prochází střídavý proud. Když proud prochází vinutím rotoru, vytváří magnetické pole, které interaguje s magnetickým polem statoru, což způsobuje rotaci rotoru.
Klíčovým prvkem v tomto procesu je komutátor, zařízení, které přepíná směr proudu ve vinutí rotoru pokaždé, když prochází polohou, kde je jeho magnetické pole vertikálně orientováno vzhledem k magnetickému poli statoru. Toto spínání proudu zajišťuje plynulé otáčení rotoru v jednom směru.
Komutátorový motor tedy přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii a otáčí hřídelí, kterou lze použít k užitečné práci.
Konstrukce komutátorového motoru
Konstrukce kartáčovaného motoru zahrnuje několik klíčových prvků, z nichž každý hraje důležitou roli v jeho provozu.
Stator je stacionární část motoru, která se obvykle skládá z magnetického materiálu a slouží k vytvoření konstantního magnetického pole. U některých motorů s kartáčem může stator obsahovat vinutí, kterými prochází proud a vytváří magnetické pole.
Rotor (nebo kotva) je rotující část motoru. Obsahuje vinutí, kterými prochází proud a vytváří magnetické pole, které interaguje s magnetickým polem statoru a způsobuje otáčení rotoru.
Induktor je část motoru, která vytváří magnetický tok. U kartáčovaných motorů může být induktor součástí statoru nebo rotoru a může zahrnovat permanentní magnety nebo budicí vinutí.
Kotva je část motoru, ve které se indukuje elektromotorická síla a protéká zatěžovací proud. U kartáčovaných motorů je kotvou obvykle rotor.
Kartáče jsou prvky, které přenášejí proud ze zdroje energie do kotvy. Jsou v kontaktu s kolektorem a jsou obvykle vyrobeny z grafitu nebo jiných materiálů.
Komutátor je část motoru, která přichází do kontaktu s kartáči. Slouží k přepínání směru proudu ve vinutí kotvy a zajišťuje plynulé otáčení rotoru v jednom směru.
Všechny tyto prvky dohromady tvoří komplexní systém, který přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii a umožňuje motoru vykonávat užitečnou práci.
Typy kartáčových motorů
Komutátorové motory se v závislosti na konstrukci statoru dělí na dva hlavní typy: s permanentními magnety a s budícím vinutím. Každý z těchto typů má své vlastní vlastnosti, výhody a nevýhody.
Kartáčovaný motor s permanentními magnety má jednoduchou konstrukci a je široce používán v různých oblastech. U tohoto typu motoru vytváří stator konstantní magnetické pole pomocí magnetů, které nevyžadují žádné napájení. Díky tomu jsou energeticky účinnější a spolehlivější. Permanentní magnety však mohou časem ztratit své magnetické vlastnosti, zejména při vysokých teplotách, což může vést ke snížení účinnosti motoru.
Kartáčovaný motor s budícím vinutím využívá elektrický proud k vytvoření magnetického pole ve statoru. To umožňuje generování silnějšího magnetického pole a poskytuje větší flexibilitu při řízení charakteristik motoru. Tyto motory jsou však konstrukčně složitější a vyžadují více energie k provozu.
Existují různé podtypy kartáčovaných motorů s vinutím pole, včetně:
Nezávislé buzení: Budicí vinutí není elektricky spojeno s vinutím kotvy, což umožňuje nastavení magnetického pole nezávisle na proudu kotvy.
Sériové pole: Budicí vinutí je zapojeno do série s vinutím kotvy, což má za následek, že budicí proud je roven proudu kotvy.
Paralelní pole: Budicí vinutí je zapojeno paralelně s vinutím kotvy, což umožňuje, aby se budicí proud a proud kotvy navzájem měnily nezávisle.
Smíšené buzení: Tento typ motoru využívá obě budicí vinutí zapojená jak sériově, tak paralelně s vinutím kotvy.
Výběr typu kartáčovaného motoru závisí na konkrétních požadavcích aplikace, včetně požadovaného výkonu, otáček, točivého momentu a účinnosti.
Základní parametry a charakteristiky komutátorového motoru
Mezi hlavní parametry a charakteristiky komutátorového motoru patří výkon, rychlost otáčení, kroutící moment, účinnost a další. Tyto parametry určují funkčnost a účinnost motoru v různých aplikacích.
Výkon je množství práce, kterou může motor vykonat za daný čas. Výkon je důležitý pro určení toho, jakou zátěž motor zvládne. Například motory s vysokým výkonem se používají v průmyslových aplikacích, jako je výroba a těžké strojírenství.
Rychlost otáčení je počet otáček, které motor udělá za minutu. Rychlost otáčení je důležitá pro aplikace, kde je vyžadována přesná regulace rychlosti, jako je robotika nebo automobilový průmysl.
Točivý moment je rotační síla motoru. Točivý moment je důležitý pro aplikace, kde je vyžadováno velké množství síly, jako je zvedání těžkých břemen nebo řízení těžkého zařízení.
Účinnost (koeficient výkonu) je poměr užitečné práce vykonané motorem ke spotřebované energii. Účinnost je důležitá při určování účinnosti motoru a jeho provozních nákladů. Vysoká účinnost znamená, že motor využívá energii efektivněji, což je důležité pro aplikace, kde je vyžadována energetická účinnost, jako jsou elektrická vozidla nebo obnovitelná energie.
Všechny tyto parametry jsou důležité při výběru kartáčovaného motoru pro konkrétní aplikaci. Pomáhají určit, který motor bude pro konkrétní aplikaci nejúčinnější a nejúspornější.
Příklady použití komutátorových motorů v různých průmyslových odvětvích
Kartáčované motory se používají v celé řadě průmyslových odvětví díky jejich všestrannosti, účinnosti a schopnosti pracovat v široké škále podmínek. Zde jsou nějaké příklady:
Automobilový průmysl: Kartáčované motory se často používají v automobilech k pohonu elektricky ovládaných oken, chladicích ventilátorů, elektrických čerpadel a dalších systémů.
Průmyslová výroba: V průmyslových aplikacích se tyto motory používají k pohonu různých zařízení, včetně dopravníkových systémů, zdvihacích a manipulačních mechanismů a strojů na zpracování kovů a dřeva.
Domácí spotřebiče: Kartáčované motory lze nalézt v mnoha domácích spotřebičích, jako jsou vysavače, pračky, mixéry a vrtačky.
Robotika: Díky své schopnosti přesně řídit rychlost a točivý moment jsou kartáčované motory ideální pro použití v robotech, včetně průmyslových robotických ramen a výzkumných robotů.
Letectví: V této oblasti se komutátorové motory používají k pohonu různých systémů, včetně satelitní orientace a řízení pohybu kosmických lodí.
V každé z těchto aplikací jsou kartáčované motory vybrány pro jejich schopnost spolehlivě a efektivně přeměňovat elektrickou energii na mechanickou energii.
Kartáčované motory jsou důležitým prvkem v mnoha průmyslových odvětvích, od automobilového až po letecký průmysl. Nabízejí řadu výhod, včetně schopnosti spolehlivě a efektivně přeměňovat elektrickou energii na energii mechanickou.
V závislosti na konstrukci se komutátorové motory dělí na dva hlavní typy: s permanentními magnety a s budícím vinutím. Každý z těchto typů má své vlastní vlastnosti, výhody a nevýhody, což vám umožňuje vybrat nejvhodnější možnost pro konkrétní aplikaci.
Základní parametry a charakteristiky kartáčovaného motoru, jako je výkon, otáčky, točivý moment a účinnost, určují jeho funkčnost a účinnost v různých aplikacích.
V budoucnu se očekává další vývoj v technologii komutátorových motorů. Zlepšení materiálů a výrobních technologií zlepší účinnost a spolehlivost těchto motorů a také rozšíří jejich aplikaci do nových aplikací. Aktivně se zkoumají zejména možnosti využití kartáčových motorů v oblasti obnovitelných zdrojů energie a elektromobilů.
Kartáčované motory jsou tedy i nadále důležitým prvkem mnoha technologií a jejich význam v blízké budoucnosti jen poroste.
