Princíp činnosti bezkomutátorového jednosmerného motora (BKDP) je známy už veľmi dlho a bezkomutátorové motory boli vždy zaujímavou alternatívou k tradičným riešeniam. Napriek tomu takéto elektrické stroje našli široké uplatnenie v technológii až v 21. storočí. Rozhodujúcim faktorom plošnej implementácie bolo niekoľkonásobné zlacnenie riadiacej elektroniky pohonu BDKP.
Obsah
- Problémy s motorom kolektora
- Princíp fungovania BDKP
- Moderné aplikácie a perspektívy
Problémy s motorom kolektora
Na základnej úrovni je úlohou každého elektromotora premieňať elektrickú energiu na mechanickú energiu. Existujú dva hlavné fyzikálne javy, ktoré sú základom konštrukcie elektrických strojov:
-
Elektrické a magnetické polia sú vzájomne prepojené. To znamená, že každý pohybujúci sa náboj vytvára magnetické pole, a preto sú magnetické polia schopné vytvárať potenciálny rozdiel. - Magnety sa navzájom ovplyvňujú. Práca všetkých elektromotorov je založená na interakcii magnetov. Niektoré z nich sú konštantné, iné sú cievkou, v ktorej sa prechodom cez slučky elektrického prúdu indukuje magnetické pole.
Motor je navrhnutý tak, aby magnetické polia vytvorené na každom z magnetov vždy navzájom interagovali, čím sa rotor otáča. Tradičný jednosmerný motor má štyri hlavné časti:
- stator (stacionárny prvok s prstencom magnetov);
- armatúra (rotačný prvok s vinutiami);
- uhlíkové kefy;
- zberateľ.
Táto konštrukcia umožňuje otáčanie kotvy a kolektora na rovnakom hriadeli vzhľadom na stacionárne kefy. Prúd tečie zo zdroja cez kefky odpružené pre dobrý kontakt ku komutátoru, ktorý rozvádza elektrinu medzi vinutia kotvy. Magnetické pole indukované v ňom interaguje s magnetmi statora, čo spôsobuje rotáciu statora.
Hlavnou nevýhodou tradičného motora je, že mechanický kontakt na kefách nie je možné dosiahnuť bez trenia. So zvyšujúcou sa rýchlosťou sa problém prejavuje silnejšie. Zostava rozdeľovača sa časom opotrebuje a je tiež náchylná na iskrenie a môže ionizovať okolitý vzduch. Preto, napriek jednoduchosti a nízkym nákladom na výrobu, takéto elektromotory majú niektoré neprekonateľné nevýhody:
- opotrebovanie kief;
- elektrické rušenie v dôsledku iskrenia;
- maximálna povolená rýchlosť;
- ťažkosti s chladením rotujúceho elektromagnetu.
Nástup procesorovej technológie a výkonových tranzistorov umožnil konštruktérom opustiť mechanickú spínaciu jednotku a zmeniť úlohu rotora a statora v jednosmernom elektromotore.
Princíp fungovania BDKP
V bezkomutátorovom elektromotore, na rozdiel od jeho predchodcu, hrá elektronický menič úlohu mechanického spínača. To umožňuje vykonať schému BDKP "prevrátenú naruby" - jeho vinutia sú umiestnené na statore, čo eliminuje potrebu kolektora.
Inými slovami, hlavný zásadný rozdiel medzi klasickým motorom a BDKP je v tom, že namiesto stacionárne magnety a rotujúce cievky, druhá pozostáva zo stacionárnych vinutí a rotujúcich magnety. Napriek tomu, že samotné prepínanie v ňom prebieha podobným spôsobom, jeho fyzická implementácia v bezkomutátorových pohonoch je oveľa zložitejšia.
Hlavným problémom je presné ovládanie bezkomutátorového motora za predpokladu správnej postupnosti a frekvencie spínania jednotlivých sekcií vinutia. Tento problém je konštruktívne riešiteľný len vtedy, ak je možné priebežne zisťovať aktuálnu polohu rotora.
Údaje potrebné na spracovanie elektronikou sa získavajú dvoma spôsobmi.:
- detekcia absolútnej polohy hriadeľa;
- meraním napätia indukovaného vo vinutiach statora.
Na realizáciu riadenia prvým spôsobom sa najčastejšie používajú buď optické páry alebo Hallove snímače upevnené na statore, ktoré reagujú na magnetický tok rotora. Hlavnou výhodou takýchto systémov na zber informácií o polohe hriadeľa je ich výkon aj pri veľmi nízkych otáčkach a v pokoji.
Bezsenzorové riadenie na odhad napätia v cievkach vyžaduje aspoň minimálnu rotáciu rotora. Preto je v takýchto konštrukciách poskytnutý režim na spustenie motora až do otáčok, pri ktorých môže byť napätie na vinutiach vyhodnotený a pokojový stav testovaný analýzou vplyvu magnetického poľa na prechádzajúce skúšobné prúdové impulzy cievky.
Napriek všetkým vyššie uvedeným konštrukčným ťažkostiam bezkomutátorové motory dobývajú všetko veľká obľuba vďaka svojmu výkonu a neprístupnej sade rozdeľovačov vlastnosti. Krátky zoznam hlavných výhod BDKP oproti klasickým vyzerá takto:
- žiadne straty mechanickej energie v dôsledku trenia kefy;
- porovnávacia nehlučnosť práce;
- jednoduchosť zrýchlenia a spomalenia vďaka nízkej zotrvačnosti rotora;
- presné ovládanie otáčania;
- možnosť organizácie chladenia v dôsledku tepelnej vodivosti;
- schopnosť pracovať pri vysokých rýchlostiach;
- trvanlivosť a spoľahlivosť.
Moderné aplikácie a perspektívy
Existuje mnoho zariadení, pre ktoré je zvýšenie doby prevádzkyschopnosti kritické. V takýchto zariadeniach je použitie BDKP vždy opodstatnené, napriek ich relatívne vysokým nákladom. Môžu to byť vodné a palivové čerpadlá, turbíny na chladenie klimatizácií a motorov atď. Bezuhlíkové motory sa používajú v mnohých modeloch elektrických vozidiel. V súčasnosti sa automobilový priemysel vážne zameriava na bezkomutátorové motory.
BDKP sú ideálne pre malé pohony pracujúce v náročných podmienkach alebo s vysokou presnosťou: podávače a pásové dopravníky, priemyselné roboty, polohovacie systémy. Sú oblasti, v ktorých bezkomutátorové motory nesporne dominujú: pevné disky, čerpadlá, tiché ventilátory, malé spotrebiče, CD/DVD mechaniky. Nízka hmotnosť a vysoký výkon urobili z BDKP základ aj pre výrobu moderného akumulátorového ručného náradia.
Môžeme povedať, že v oblasti elektrických pohonov nastal výrazný pokrok. Pokračujúci pokles cien digitálnej elektroniky vyvolal trend rozšíreného používania bezkomutátorových motorov, ktoré nahrádzajú tradičné.
