Bezkartáčový stejnosměrný motor: princip činnosti, zařízení, použití

Domácí a lékařské vybavení, modelářství letadel, pohony uzavíracích ventilů plynovodů a ropovodů – to zdaleka není úplný seznam oblastí použití bezkartáčových stejnosměrných motorů (BM). Podívejme se na strukturu a princip činnosti těchto elektromechanických pohonů, abychom lépe pochopili jejich výhody a nevýhody.

Obecné informace, struktura, rozsah použití

Jedním z důvodů zájmu o BD je zvýšená potřeba vysokorychlostních mikromotorů s přesným polohováním. Vnitřní struktura takových pohonů je znázorněna na obrázku 2.

Jak vidíte, konstrukce se skládá z rotoru (kotvy) a statoru, první má permanentní magnet (nebo několik magnetů uspořádaných v určitém pořadí) a druhý je vybaven cívkami (B) pro vytvoření magnetického pole.

Je pozoruhodné, že tyto elektromagnetické mechanismy mohou být buď s vnitřní kotvou (tento typ konstrukce je vidět na obrázku 2), nebo s vnější kotvou (viz obrázek 3).

Každé z provedení má tedy specifickou oblast použití. Zařízení s vnitřní kotvou mají vysokou rychlost otáčení, takže se používají v chladicích systémech, jako elektrárny pro drony atd. Pohony s vnějším rotorem se používají tam, kde je vyžadováno přesné polohování a odolnost vůči přetížení krouticím momentem (robotika, lékařské vybavení, CNC stroje atd.).

Princip činnosti

Na rozdíl od jiných pohonů, jako je například střídavý indukční stroj, vyžaduje bipolární pohon (BD) k provozu speciální regulátor, který zapíná vinutí tak, aby vektory magnetického pole kotvy a statoru byly navzájem ortogonální. Jinými slovy, budicí zařízení v podstatě reguluje točivý moment působící na kotvu BD. Tento proces je jasně znázorněn na obrázku 4.

Jak vidíme, pro každý pohyb kotvy je nutné provést určitou komutaci ve statorovém vinutí bezkartáčového motoru. Tento princip činnosti neumožňuje plynulé řízení otáčení, ale umožňuje rychlé zrychlení.

Rozdíly mezi kartáčovými a bezkartáčovými motory

Pohon kolektorového typu se od BD liší jak konstrukčními vlastnostmi (viz obr. 5), tak i principem činnosti.

Podívejme se na konstrukční rozdíly. Z obrázku 5 je zřejmé, že rotor (1 na obrázku 5) kolektorového motoru má na rozdíl od bezkartáčového motoru cívky s jednoduchým schématem vinutí a na statoru (2 na obrázku 5) jsou instalovány permanentní magnety (obvykle dva). Kromě toho je na hřídeli instalován kolektor, ke kterému jsou připojeny kartáče, které dodávají napětí do vinutí kotvy.

Stručně si povíme o principu fungování kolektorových strojů. Když je na jednu z cívek přivedeno napětí, je buzena a vzniká magnetické pole. Ta interaguje s permanentními magnety, což způsobí otáčení kotvy a kolektoru umístěného na ní. V důsledku toho je do druhého vinutí dodávána energie a cyklus se opakuje.

Frekvence otáčení kotvy takové konstrukce přímo závisí na intenzitě magnetického pole, které je zase přímo úměrné napětí. To znamená, že pro zvýšení nebo snížení otáček stačí zvýšit nebo snížit úroveň výkonu. A pro zpětný chod je nutné přepnout polaritu. Tato metoda řízení nevyžaduje speciální regulátor, protože regulátor otáček může být vyroben na základě proměnného rezistoru a jako měnič bude fungovat běžný spínač.

Konstrukční vlastnosti bezkartáčových motorů jsme probrali v předchozí části. Jak si pamatujete, jejich připojení vyžaduje speciální regulátor, bez kterého jednoduše nebudou fungovat. Ze stejného důvodu nelze tyto motory použít jako generátor.

Za zmínku také stojí, že některé pohony tohoto typu sledují polohu rotoru pomocí Hallových senzorů pro efektivnější řízení. To výrazně zlepšuje vlastnosti bezkartáčových motorů, ale vede ke zvýšení nákladů na již tak drahou konstrukci.

Jak nastartovat bezkartáčový motor?

Pro fungování tohoto typu pohonu je nutný speciální regulátor (viz obr. 6). Bez něj je startování nemožné.

Nemá smysl si takové zařízení sestavovat svépomocí, levnější a spolehlivější bude koupit hotové. Můžete si ho vybrat na základě následujících charakteristik, typických pro PWM kanálové budiče:

• Maximální přípustná síla proudu, tato charakteristika je uvedena pro normální provozní režim zařízení. Výrobci tento parametr často uvádějí v názvu modelu (například Phoenix-18). V některých případech je hodnota uvedena pro špičkový režim, který regulátor dokáže udržovat po dobu několika sekund.
• Maximální hodnota standardního napětí pro nepřetržitý provoz.
• Odpor vnitřních obvodů regulátoru.
• Přípustný počet otáček, udaný v ot/min. Regulátor nedovolí, aby se otáčení zvýšilo nad tuto hodnotu (omezení je implementováno na softwarové úrovni). Je třeba poznamenat, že frekvence otáčení je vždy udávána pro dvoupólové pohony. Pokud je více párů pólů, je třeba hodnotu vydělit jejich počtem. Například je zadáno číslo 60000 ot/min, proto pro motor se 6 magnety bude frekvence otáčení 60000/3 = 20000 ot/min.
• Frekvence generovaných impulsů; u většiny regulátorů je tento parametr v rozsahu 7 až 8 kHz; dražší modely umožňují parametr přeprogramovat a zvýšit na 16 nebo 32 kHz.

Upozorňujeme, že první tři charakteristiky určují výkon databáze.

Bezkartáčové řízení motoru

Jak již bylo zmíněno výše, spínání vinutí pohonu je řízeno elektronikou. Pro určení, kdy je třeba přepnout, pohon sleduje polohu kotvy pomocí Hallových senzorů. Pokud pohon není takovými detektory vybaven, bere se v úvahu zpětná elektromotorická síla, která se vyskytuje v nezapojených statorových cívkách. Řídicí jednotka, která je v podstatě hardwarovým a softwarovým komplexem, tyto změny monitoruje a nastavuje pořadí spínání.

Třífázový bezkartáčový stejnosměrný motor

Většina BD je vyrobena v třífázovém provedení. Pro řízení takového pohonu má regulátor převodník stejnosměrného napětí na třífázové impulzní napětí (viz obr. 7).

Pro vysvětlení fungování takového ventilového motoru je třeba se podívat na obrázek 7 společně s obrázkem 4, kde jsou postupně znázorněny všechny fáze pohonu. Zapišme si je:

1. Na cívku „A“ je přiveden kladný impuls, zatímco na cívku „B“ záporný impuls, což způsobí pohyb kotvy. Senzory zaznamenají její pohyb a vyšlou signál pro další komutaci.
2. Cívky „A“ se vypnou a kladný impuls přejde do „C“ („B“ zůstává nezměněn), poté je vyslán signál pro další sadu impulsů.
3. Na „C“ – kladné, „A“ – záporné.
4. Dvojice „B“ a „A“ pracuje a přijímá kladné a záporné impulsy.
5. Kladný impuls se znovu přivede na „B“ a záporný impuls na „C“.
6. Cívky „A“ se zapnou (+ je přiveden) a na „C“ se opakuje záporný impuls. Poté se cyklus opakuje.

Zdánlivá jednoduchost ovládání s sebou nese mnoho složitostí. Je nutné nejen sledovat polohu kotvy pro generování další série impulsů, ale také řídit frekvenci otáčení úpravou proudu v cívkách. Kromě toho by měly být zvoleny nejoptimálnější parametry pro zrychlení a brzdění. Je také třeba si uvědomit, že regulátor musí být vybaven jednotkou, která umožňuje řídit jeho provoz. Vzhled takového multifunkčního zařízení je vidět na obrázku 8.

Výhody a nevýhody

Elektrický bezkartáčový motor má mnoho výhod, a to:

• Životnost je výrazně delší než u konvenčních kolektorových analogů.
• Vysoká účinnost.
• Rychle dosahuje maximálních otáček.
• Je silnější než KD.
• Absence jisker během provozu umožňuje použití pohonu v podmínkách s nebezpečím požáru.
• Není potřeba žádné další chlazení.
• Jednoduchá obsluha.

Nyní se podívejme na nevýhody. Významnou nevýhodou, která omezuje použití BD, je jejich relativně vysoká cena (s přihlédnutím k ceně ovladače). Mezi nevýhody patří nemožnost použití BD bez ovladače, a to ani pro krátkodobé zapnutí, například pro kontrolu provozuschopnosti. Problematická oprava, zejména pokud je nutné přetočení.