Bezkomutátorový stejnosměrný motor: vlastnosti zařízení, ovládání provozu, použití

Princip činnosti bezkomutátorového stejnosměrného motoru (BKDP) je znám již velmi dlouho a bezkomutátorové motory byly vždy zajímavou alternativou tradičních řešení. Navzdory tomu našly takové elektrické stroje široké uplatnění v technologii až v 21. století. Rozhodujícím faktorem plošné implementace bylo mnohonásobné zlevnění řídicí elektroniky pohonu BDKP.

Problémy s motorem kolektoru

Na základní úrovni je úkolem každého elektromotoru přeměnit elektrickou energii na mechanickou energii. Existují dva hlavní fyzikální jevy, které jsou základem konstrukce elektrických strojů:

1. Elektrické a magnetické pole jsou vzájemně propojeny. To znamená, že každý pohybující se náboj vytváří magnetické pole, a proto jsou magnetická pole schopna produkovat potenciální rozdíl.
2. Magnety na sebe vzájemně působí. Práce všech elektromotorů je založena na interakci magnetů. Některé z nich jsou konstantní, jiné jsou cívkou, ve které se průchodem smyčkami elektrického proudu indukuje magnetické pole.

Motor je konstruován tak, že magnetická pole generovaná na každém z magnetů spolu vždy interagují a umožňují rotaci rotoru. Tradiční stejnosměrný motor má čtyři hlavní části:

• stator (stacionární prvek s prstencem magnetů);
• kotva (rotační prvek s vinutím);
• uhlíkové kartáče;
• kolektor.

Tato konstrukce umožňuje otáčení kotvy a kolektoru na stejném hřídeli vzhledem ke stacionárním kartáčům. Proud teče ze zdroje přes kartáče odpružené pro dobrý kontakt ke komutátoru, který rozděluje elektřinu mezi vinutí kotvy. Magnetické pole indukované v posledně uvedeném interaguje s magnety statoru, což způsobuje rotaci statoru.

Hlavní nevýhodou tradičního motoru je, že mechanického kontaktu s kartáči nelze dosáhnout bez tření. S rostoucí rychlostí se problém projevuje silněji. Sestava rozdělovače se časem opotřebovává a je také náchylná k jiskření a může ionizovat okolní vzduch. I přes jednoduchost a nízké výrobní náklady takové elektromotory mají některé nepřekonatelné nevýhody:

• opotřebení kartáčů;
• elektrické rušení způsobené jiskřením;
• maximální povolená rychlost;
• potíže s chlazením rotujícího elektromagnetu.

Nástup technologie procesorů a výkonových tranzistorů umožnil konstruktérům opustit mechanickou spínací jednotku a změnit roli rotoru a statoru u stejnosměrného elektromotoru.

Princip činnosti BDKP

V bezkomutátorovém elektromotoru na rozdíl od svého předchůdce hraje roli mechanického spínače elektronický měnič. To umožňuje provádět schéma BDKP "naruby" - jeho vinutí jsou umístěna na statoru, což eliminuje potřebu kolektoru.

Jinými slovy, hlavní zásadní rozdíl mezi klasickým motorem a BDKP je v tom, že místo stacionární magnety a rotující cívky, druhá se skládá ze stacionárních vinutí a rotujících magnety. I přesto, že k samotnému přepínání v něm dochází podobným způsobem, jeho fyzická implementace v bezkomutátorových pohonech je mnohem složitější.

Jde především o přesné ovládání bezkomutátorového motoru za předpokladu správného sledu a frekvence spínání jednotlivých sekcí vinutí. Tento problém je konstruktivně řešitelný pouze tehdy, je-li možné plynule zjišťovat aktuální polohu rotoru.

Údaje potřebné pro zpracování elektronikou jsou získávány dvěma způsoby.:

• detekce absolutní polohy hřídele;
• měřením napětí indukovaného ve vinutí statoru.

Pro realizaci řízení prvním způsobem se nejčastěji používají buď optické páry nebo Hallovy snímače upevněné na statoru, které reagují na magnetický tok rotoru. Hlavní výhodou takových systémů pro sběr informací o poloze hřídele je jejich výkon i při velmi nízkých otáčkách a v klidu.

Bezsenzorové řízení pro odhad napětí v cívkách vyžaduje alespoň minimální rotaci rotoru. Proto je v takových konstrukcích zajištěn režim pro spouštění motoru až do otáček, při kterých může být napětí na vinutí vyhodnocen a klidový stav testován analýzou vlivu magnetického pole na procházející testovací proudové impulsy cívky.

Přes všechny výše uvedené konstrukční potíže dobývají bezkomutátorové motory vše velká obliba pro svůj výkon a pro sběratelskou sadu nedostupná vlastnosti. Krátký výčet hlavních výhod BDKP oproti klasickým vypadá takto:

• žádné mechanické ztráty energie v důsledku tření kartáčů;
• srovnatelná nehlučnost práce;
• snadnost zrychlování a zpomalování díky nízké setrvačnosti rotoru;
• přesné ovládání otáčení;
• možnost organizování chlazení díky tepelné vodivosti;
• schopnost pracovat při vysokých rychlostech;
• trvanlivost a spolehlivost.

Moderní aplikace a perspektivy

Existuje mnoho zařízení, u kterých je zvýšení doby provozuschopnosti kritické. V takovém zařízení je použití BDKP vždy oprávněné, a to i přes jejich relativně vysokou cenu. Mohou to být vodní a palivová čerpadla, turbíny pro chlazení klimatizací a motorů atd. Bezkomutátorové motory se používají v mnoha modelech elektrických vozidel. V současné době se automobilový průmysl vážně zaměřuje na bezkomutátorové motory.

BDKP jsou ideální pro malé pohony pracující v obtížných podmínkách nebo s vysokou přesností: podavače a pásové dopravníky, průmyslové roboty, polohovací systémy. Existují oblasti, ve kterých bezkomutátorové motory nesporně dominují: pevné disky, čerpadla, tiché ventilátory, malá zařízení, CD / DVD mechaniky. Nízká hmotnost a vysoký výkon učinily z BDKP také základ pro výrobu moderního aku ručního nářadí.

Dá se říci, že v oblasti elektrických pohonů došlo k výraznému pokroku. Pokračující pokles cen digitální elektroniky vyvolal trend k širokému používání bezkomutátorových motorů nahrazujících tradiční motory.