Hlavním problémem kolektorových motorů je právě přítomnost kolektorové sestavy. Kartáče se opotřebovávají, lamely se opotřebovávají, dochází mezi nimi ke zkratům z vrstvy grafitového prachu a vznikají jiskry. Tyto problémy u asynchronních strojů neexistují, ale nemohou běžet na stejnosměrný proud. Bezkomutátorový stejnosměrný motor postrádá výše uvedené nevýhody. O tom, co to je, jak to funguje a kde se motory BDPT používají, si povíme v tomto článku.

Definice

Bezkomutátorový stejnosměrný motor se nazývá stejnosměrný motor, jehož proud ve vinutích spíná speciální spínací zařízení – nazývá se “budič” nebo “střídač” a tato vinutí jsou vždy umístěna na statoru. Spínač se skládá ze 6 tranzistorů, které dodávají proud do jednoho nebo druhého vinutí v závislosti na poloze rotoru.

V domácí literatuře se takové motory nazývají “ventil” (protože polovodičové spínače se nazývají “ventily”) a existuje rozdělení takových elektrických strojů na dva typy podle formy proti-EMF. V zahraniční literatuře tento rozdíl zůstává, jeden z nich se nazývá podobně jako ruský „BLDC“ (bezkomutátorový stejnosměrný pohon nebo motor), což doslova zní jako „bezkomutátorový stejnosměrný motor“ v jejich vinutích dochází k lichoběžníkovému EMF. Ventilové elektromotory se sinusovým EMF se nazývají PMSM (Permanent magnet synchronous machine), což v překladu znamená „synchronní elektromotor s buzením permanentními magnety“.

Zařízení a princip činnosti

Kolektor v KDPT slouží jako proudová spínací jednotka ve vinutí kotvy. V bezkomutátorovém stejnosměrném motoru (BDPT) tuto roli neplní kartáče s lamelami, ale spínač v polovodičových spínačích – tranzistorech. Tranzistory spínají vinutí statoru a vytvářejí rotující magnetické pole, které interaguje s polem magnetů rotoru. A když vodičem, který je v magnetickém poli, protéká proud, působí na něj síla Ampér, působením této síly vzniká na hřídeli elektrických strojů točivý moment. To je princip fungování jakéhokoli elektromotoru.

Konstrukce sběrače (vlevo) a střídavého motoru (vpravo)

Nyní se podívejme, jak funguje bezkomutátorový motor. Na statoru BLDC jsou obvykle 3 vinutí, analogicky se střídavým motorům se často nazývají třífázové. To je částečně pravda: bezkomutátorové motory fungují ze stejnosměrného zdroje (obvykle z baterií), ale regulátor postupně zapíná proud ve vinutí. Není však zcela správné říkat, že vinutím protéká střídavý proud. Konečný tvar napájecího vinutí je tvořen pravoúhlými tranzistorovými řídicími impulsy.

READ
Jak malovat bez stop válečkem?

Třífázový bezkomutátorový motor může být třívodičový nebo čtyřvodičový, kde čtvrtý vodič je odbočka ze středu (pokud jsou vinutí zapojena do hvězdy).

Typická řídicí deska pro třífázový BKDPT

Vinutí nebo zjednodušeně řečeno cívky měděného drátu zapadají do zubů jádra statoru. V závislosti na konstrukci a účelu pohonu může mít stator různý počet zubů. Existují různé možnosti rozložení fázových vinutí podél zubů rotoru, což ilustruje následující obrázek.

Schéma rozložení vinutí statorovými zuby

Vinutí každého ze zubů v rámci jedné fáze mohou být zapojena sériově nebo paralelně v závislosti na úkolech stanovených pro konstruktéra z hlediska výkonu a krouticího momentu navrženého pohonu a samotná fázová vinutí jsou vzájemně propojena podle do hvězdicového nebo trojúhelníkového schématu, podobně jako u asynchronních nebo synchronních třífázových střídavých motorů.

Schémata zapojení vinutí

Do statoru lze instalovat snímače polohy rotoru. Často se používají Hallovy snímače, které dávají signál do regulátoru, když na ně působí magnetické pole magnetů rotoru. To je nezbytné, aby regulátor „věděl“, v jaké poloze je rotor a napájel odpovídající vinutí. To je nutné pro zvýšení účinnosti a stability a zkrátka pro vymáčknutí veškerého možného výkonu z motoru. Snímače se obvykle instalují po 3 kusech. Přítomnost senzorů ale komplikuje konstrukci bezkomutátorového elektromotoru, je třeba je připojit k dalším vodičům pro napájecí a datové linky.

Snímače polohy rotoru v bezkomutátorovém motoru

BLDT používá k buzení permanentní magnety namontované na rotoru a stator je kotva. Připomeňme, že u kolektorových strojů je to naopak (rotor je kotva) a k buzení v CD se používají jak permanentní magnety, tak elektromagnety (vinutí).

Magnety jsou instalovány se střídavými póly a podle toho jejich počet určuje počet pólových párů. To ale neznamená, že existuje tolik magnetů jako párů pólů. Několik magnetů může tvořit jeden pól. Počet pólů, stejně jako u asynchronního motoru (a dalších), závisí na počtu otáček za minutu. To znamená, že z jednoho regulátoru při stejném nastavení se budou bezkomutátorové motory s různým počtem pólových párů otáčet různými rychlostmi.

Střídání magnetických pólů statoru

Typy BDPT

Nyní se podívejme, co jsou bezkomutátorové motory s permanentními magnety. Jsou klasifikovány podle formy back-emf, designu a přítomnosti snímačů polohy rotoru. Takže dva hlavní typy se liší ve formě zpětného EMF, které se indukuje ve vinutích, když se rotor otáčí:

  • BLDC – mají lichoběžníkový zadní EMF;
  • PMSM – sinusové zpětné EMF.
READ
Co znamená bakelit?

V ideálním případě potřebují různé napájecí zdroje (ovladače), ale v praxi jsou vzájemně zaměnitelné. Pokud ale použijete regulátor s obdélníkovým nebo lichoběžníkovým výstupním napětím s motorem PMSM, uslyšíte při otáčení charakteristické zvuky podobné klepání.

A podle návrhu jsou bezkomutátorové stejnosměrné motory:

  • S vnitřním rotorem. Toto je známější znázornění elektromotoru, kdy stator je pouzdro a hřídel umístěný v něm se otáčí. Často jsou označovány anglickým slovem „Inrunner“. Tato možnost se obvykle používá u vysokootáčkových elektromotorů.
  • s vnějším rotorem. Zde se otáčí vnější část motoru s k ní připevněným hřídelem, v anglických zdrojích se mu říká „outrunner“. Toto schéma zařízení se používá, když je potřeba vysoký točivý moment.

Konstrukce se volí v závislosti na tom, k čemu je v konkrétní aplikaci potřeba bezkomutátorový motor.

Inrunner (vlevo) a outrunner (vpravo)

Moderní průmysl vyrábí bezkomutátorové motory se snímači polohy rotoru i bez nich. Faktem je, že existuje mnoho způsobů, jak ovládat BLDT, některé z nich vyžadují snímače polohy, jiné určují polohu pomocí EMF ve vinutí, jiné jednoduše dodávají energii do potřebných fází a elektromotor se s takovým výkonem nezávisle synchronizuje a vstupuje do provozní režim.

Hlavní vlastnosti bezkomutátorových stejnosměrných motorů:

  1. Provozní režim – dlouhodobý nebo krátkodobý.
  2. Maximální provozní napětí.
  3. Maximální provozní proud.
  4. Maximální výkon.
  5. Maximální otáčky často neoznačují otáčky, ale KV – otáčky za minutu, tedy počet otáček na 1 volt přiloženého napětí (bez zatížení hřídele). Chcete-li získat maximální otáčky, vynásobte toto číslo maximálním napětím.
  6. Odpor vinutí (čím menší, tím vyšší účinnost) se obvykle rovná setinám a tisícinám ohmu.
  7. Úhel předstihu fáze (časování) – doba, po které proud ve vinutí dosáhne svého maxima, je to kvůli jeho indukčnosti a zákonům spínání (proud v indukčnosti se nemůže okamžitě změnit.

Schéma zapojení

Jak bylo uvedeno výše, pro provoz bezkomutátorového motoru je potřeba speciální regulátor. Na aliexpressu najdete obě sady motoru a ovladače nebo samostatně. Ovladač se také nazývá ESC Motor nebo Electric Speed ​​​​Controller. Vybírají se podle síly proudu dané zátěži.

Připojení elektromotoru k ovladači obvykle nezpůsobuje potíže a je srozumitelné i pro figuríny. Hlavní věc, kterou potřebujete vědět, je, že pro změnu směru otáčení je potřeba změnit zapojení libovolných dvou fází, vlastně stejně jako u třífázových asynchronních nebo synchronních elektromotorů.

READ
K čemu lze tekutý plast použít?

Schéma připojení k regulátoru a zpětnému chodu BC motoru

Síť má řadu technických řešení a schémat, jak složitých, tak pro figuríny, které můžete vidět níže.

V tomto videu autor vypráví, jak se spřátelit s BC motorem s Arduinem.

A v tomto videu se dozvíte o různých způsobech připojení k různým regulátorům a o tom, jak to můžete udělat sami. Autor to demonstruje na příkladu motoru z HDD a dvojice výkonných instancí – inrunner a outrunner.

Mimochodem přikládáme i schéma z videa pro zopakování:

Schéma regulátoru pro BLDC

Kde se používají bezkomutátorové motory

Rozsah takových elektromotorů je v předstihu. Používají se jak k pohonu malých mechanismů: v CD mechanikách, DVD mechanikách, pevných discích, tak ve výkonných zařízeních: baterie a síťové elektrické nářadí (napájené cca 12V), rádiem řízené modely (například kvadrokoptéry), CNC stroje pro pohon pracovního tělesa (obvykle motory se jmenovitým napětím 24V nebo 48V).

BDPT jsou široce používány v elektrické dopravě, téměř všechna moderní motorová kola elektrických skútrů, jízdních kol, motocyklů a automobilů jsou bezkomutátorové motory. Mimochodem, jmenovité napětí elektromotorů pro dopravu leží v širokém rozmezí, např. motor-kolo pro jízdní kolo jede až na výjimky často od 36V nebo od 48V a více a v automobilech např. na Toyota Prius, asi 120 V, a na Nissan Leaf – dosahuje 400, a to navzdory skutečnosti, že je nabíjen ze sítě 220 V (toto je implementováno pomocí vestavěného měniče).

Ve skutečnosti je rozsah bezkomutátorových elektromotorů velmi rozsáhlý, absence kolektorové sestavy umožňuje jeho použití v nebezpečných místech, stejně jako v místech s vysokou vlhkostí, bez obav ze zkratu, jiskření nebo požáru v důsledku závad v sestavu kartáče. Díky své vysoké účinnosti a dobrým hmotnostním a rozměrovým charakteristikám našly uplatnění také v kosmickém průmyslu.

Výhody a nevýhody

Bezkomutátorové stejnosměrné motory, stejně jako jiné typy elektrických strojů, mají určité výhody a nevýhody.

Výhody BDP jsou následující:

  • Díky buzení silnými permanentními magnety (např. neodymem) mají lepší točivý moment a výkon a mají menší rozměry než asynchronní motory. To, co používá většina výrobců elektromobilů – od skútrů po auta.
  • Neexistuje žádná sestava sběrače jisker a kartáčů, která by vyžadovala pravidelnou údržbu.
  • Při použití vysoce kvalitního ovladače, na rozdíl od stejného CD, nezpůsobují rušení napájení, což je zvláště důležité u rádiem řízených zařízení a vozidel s pokročilým elektronickým vybavením v palubní síti.
  • Účinnost více než 80, častěji a 90 %.
  • Vysoká rychlost otáčení, v některých případech až 100000 XNUMX ot./min.
READ
Jak ozdobit láhev šampaňského třpytkami?

Je tu ale i podstatná nevýhoda: střídavý motor bez regulátoru je jen kus železa s měděným vinutím. Nebude moci pracovat. Ovladače nejsou levné a nejčastěji se musí objednávat z internetových obchodů nebo z aliexpressu. Z tohoto důvodu není vždy možné použít motory BC v domácích modelech a zařízeních.

Nyní víte, co je to bezkomutátorový stejnosměrný motor, jak funguje a kde se používá. Doufáme, že vám náš článek pomohl vyřešit všechny otázky!

Zveřejněno 17.06.2019 Aktualizováno 05.07.2019 Alexandrem (administrátorem)