Moderné bezkomutátorové jednosmerné motory
Vďaka významnému pokroku v polovodičovej elektronike a technológii na vytváranie výkonných neodýmových magnetov sa dnes bezkomutátorové jednosmerné motory široko používajú. Používajú sa v práčkach, vysávačoch, ventilátoroch, dronoch atď.
A hoci myšlienka princípu fungovania bezkomutátorového motora bola vyslovená už na začiatku 19. storočia, čakala vo svojich krídlach až do začiatku polovodičovej éry, kedy boli technológie pripravené na praktickú realizáciu. tento zaujímavý a efektívny koncept, ktorý umožnil bezkomutátorovým jednosmerným motorom chodiť tak široko ako dnes. …
V anglickej verzii sa nazývajú motory tohto typu BLDC motor — Bezuhlíkové jednosmerné motory — bezkomutátorový jednosmerný motor. Rotor motora obsahuje permanentné magnety, a pracovné vinutia sú umiestnené na statore, to znamená, že BLDC motorové zariadenie je úplne opačné ako v klasickom kartáčovanom motore. BLDC motor je riadený elektronickým ovládačom tzv ESC - elektronický regulátor rýchlosti — elektronický tempomat.
Elektronický regulátor a vysoká účinnosť
Elektronický regulátor umožňuje plynulé menenie elektrickej energie dodávanej do bezkomutátorového motora. Na rozdiel od jednoduchších verzií odporových regulátorov otáčok, ktoré jednoducho obmedzujú výkon zapojením odporovej záťaže do série s motorom, čím sa prebytočný výkon premieňa na teplo, elektronická regulácia otáčok poskytuje výrazne vyššiu účinnosť bez plytvania dodanou elektrickou energiou.energiou na zbytočné zahrievanie. ..
Bezkefkový jednosmerný motor možno klasifikovať ako samosynchronizačný synchrónny motor, kde je iskriaci uzol vyžadujúci pravidelnú údržbu úplne vypnutý — zberateľ… Funkciu kolektora preberá elektronika, vďaka čomu sa celý dizajn výrobku výrazne zjednodušuje a stáva sa kompaktnejším.
Kefy sú vlastne nahradené elektronickými spínačmi, ktorých straty sú oveľa menšie, ako by boli pri mechanickom spínaní. Výkonné neodýmové magnety na rotore umožňujú väčší krútiaci moment na hriadeli. A taký motor sa zohrieva menej ako jeho predchodca kolektor.
V dôsledku toho je účinnosť motora najlepšia a výkon na kilogram hmotnosti je vyšší, plus pomerne široký rozsah regulácie otáčok rotora a takmer úplná absencia generovaného rádiového rušenia. Konštrukčne sú motory tohto typu ľahko prispôsobené na prácu vo vode a v agresívnom prostredí.
Elektronická riadiaca jednotka je veľmi dôležitou a drahou súčasťou bezkomutátorového jednosmerného motora, ale nemožno sa od nej vzdať.Z tohto zariadenia získava motor výkon, ktorého parametre súčasne ovplyvňujú rýchlosť aj výkon, ktorý bude môcť motor vyvinúť pri zaťažení.
Aj keď rýchlosť otáčania nie je potrebné nastavovať, stále je potrebná elektronická riadiaca jednotka, pretože nesie nielen riadiacu funkciu, ale má aj napájací komponent. Dá sa povedať, že ESC je analóg frekvenčný regulátor pre asynchrónne striedavé motoryšpeciálne navrhnuté pre napájanie a riadenie bezkomutátorového jednosmerného motora.
BLDC ovládanie motora
Aby sme pochopili, ako sa riadi BLDC motor, spomeňme si najskôr, ako funguje komutátorový motor. Vo svojom jadre princíp rotácie rámu prúdom v magnetickom poli.
Vždy, keď sa rám s prúdom otočí a nájde rovnovážnu polohu, komutátor (kefy pritlačené na kolektor) zmení smer prúdu cez rám a rám pokračuje ďalej. Tento proces sa opakuje, keď sa rám pohybuje od pólu k pólu. Iba v motore kolektora je veľa takýchto rámov a existuje niekoľko párov magnetických pólov, preto kolektor kefy neobsahuje dva kontakty, ale veľa.
ECM robí to isté. Obráti polaritu magnetického poľa, akonáhle sa rotor musí otočiť z rovnovážnej polohy. Len riadiace napätie nie je privádzané do rotora, ale do vinutí statora a to sa deje pomocou polovodičových spínačov v správnom čase (fázy rotora).
Je zrejmé, že prúd do vinutia statora bezkomutátorového motora musí byť dodávaný v správnom čase, to znamená, keď je rotor v určitej známej polohe. Ak to chcete urobiť, použite jednu z nasledujúcich metód.Prvý je založený na snímači polohy rotora, druhý je založený na meraní EMF jednej z cievok, ktorá momentálne nedostáva energiu.
Senzory sú rôzne, magnetické a optické, najobľúbenejšie sú magnetické senzory Hallov efekt… Druhá metóda (založená na meraní EMF), hoci je účinná, neumožňuje presné riadenie pri nízkych rýchlostiach a pri štartovaní. Hallove senzory na druhej strane poskytujú presnejšie ovládanie vo všetkých režimoch. V trojfázových BLDC motoroch sú tri takéto snímače.
Motory bez snímačov polohy rotora sú použiteľné v prípadoch, keď sa motor spúšťa bez zaťaženia hriadeľa (ventilátor, vrtuľa a pod.). Ak sa štartovanie vykonáva pri zaťažení, je potrebný motor so snímačmi polohy rotora. Obe možnosti majú svoje pre a proti.
Riešenie so senzorom sa mení na pohodlnejšie ovládanie, no ak zlyhá aspoň jeden zo senzorov, bude treba rozobrať motor, navyše senzory vyžadujú samostatné vodiče. V bezsenzorovej verzii nie sú potrebné žiadne špeciálne vodiče, ale počas štartovania sa rotor bude kývať dopredu a dozadu. Ak je to neprijateľné, je potrebné do systému nainštalovať snímače.
Rotor a stator, počet fáz
Rotor motora BLDC môže byť vonkajší alebo vnútorný a stator vnútorný alebo vonkajší. Stator je vyrobený z magneticky vodivého materiálu, pričom počet zubov je úplne vydelený počtom fáz. Rotor môže byť vyrobený nie nevyhnutne z magneticky vodivého materiálu, ale nevyhnutne s magnetmi pevne pripevnenými k nemu.
Čím silnejšie sú magnety, tým väčší je dostupný krútiaci moment. Počet zubov statora by sa nemal rovnať počtu magnetov rotora.Minimálny počet zubov sa rovná počtu kontrolných fáz.
Väčšina moderných bezkomutátorových jednosmerných motorov je trojfázová, jednoducho kvôli jednoduchosti dizajnu a ovládania. Rovnako ako u indukčných motorov na striedavý prúd, aj tu sú vinutia troch fáz spojené so statorom pomocou "trojuholníka" alebo "hviezdy".
Takéto motory bez snímačov polohy rotora majú 3 napájacie vodiče a motory so snímačmi majú 8 vodičov: dva ďalšie vodiče na napájanie snímačov a tri na signálne výstupy snímačov.
Nízkorýchlostné motory s vonkajším rotorom sa vyrábajú s veľkým počtom pólov (a teda zubov) na fázu, aby sa dosiahla rotácia s uhlovou frekvenciou výrazne menšou ako je frekvencia riadiaceho prúdu. Ale ani pri vysokorýchlostných trojfázových motoroch sa počet zubov menší ako 9 zvyčajne nepoužíva.