Domácí a lékařské přístroje, letecké modelářství, potrubní uzavírací pohony pro plynovody a ropovody – to není úplný seznam aplikací pro bezkomutátorové stejnosměrné motory (BD). Podívejme se na zařízení a princip činnosti těchto elektromechanických pohonů, abychom lépe porozuměli jejich výhodám a nevýhodám.

Obecné informace, zařízení, rozsah

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

Bezkomutátorové motorové zařízení

Rýže. 2. Zařízení střídavého motoru

Jak vidíte, konstrukce je rotor (kotva) a stator, 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 vnější (viz obrázek 3).

Outrunner design

Rýže. 3. Provedení s vnější kotvou (outrunner)

V souladu s tím má každý z návrhů specifický rozsah. Zařízení s vnitřní armaturou mají vysokou rychlost otáčení, proto se používají v chladicích systémech, jako elektrárny pro drony atd. Pohony externího rotoru se používají tam, kde je vyžadováno přesné polohování a tolerance točivého momentu (robotika, lékařská zařízení, CNC stroje atd.).

Střídavý motor v počítačové jednotce

Střídavý motor v počítačové jednotce

Princip činnosti

Na rozdíl od jiných pohonů, např. asynchronního stroje na střídavý proud, je pro provoz DB ​​zapotřebí speciální regulátor, který zapíná vinutí tak, že vektory magnetických polí kotvy a statoru jsou vůči sobě ortogonální. jiný. To znamená, že hnací zařízení ve skutečnosti reguluje točivý moment působící na kotvu DB. Tento proces je jasně znázorněn na obrázku 4.

Provozní fáze střídavého pohonu

Provozní fáze střídavého pohonu

Jak vidíte, pro každý pohyb kotvy je nutné provést určitou komutaci ve vinutí statoru bezkomutátorového motoru. Tento princip fungování neumožňuje plynulé ovládání rotace, ale umožňuje rychle získat hybnost.

Rozdíly mezi kartáčovanými a bezkomutátorovými motory

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

A - kolektorový motor, B - bezkomutátorový

Rýže. 5. A – kolektorový motor, B – bezkomutátorový

Pojďme se podívat na designové rozdíly. Obrázek 5 ukazuje, že rotor (1 na obr. 5) motoru kolektorového typu má na rozdíl od bezkomutátorového cívky, které mají jednoduché schéma vinutí, a na statoru jsou instalovány permanentní magnety (obvykle dva) (2 na obr. 5). Kromě toho je na hřídeli instalován kolektor, ke kterému jsou připojeny kartáče, které přivádějí napětí do vinutí kotvy.

Stručně popište princip činnosti kolektorových strojů. Při přivedení napětí na jednu z cívek dojde k jejímu vybuzení a vytvoření magnetického pole. Spolupracuje s permanentními magnety, což způsobuje rotaci kotvy a na ní umístěného kolektoru. Výsledkem je, že energie je dodávána do druhého vinutí a cyklus se opakuje.

ČTĚTE VÍCE
Kolik stojí instalace CCTV kamery doma?

Frekvence otáčení kotvy této konstrukce přímo závisí na intenzitě magnetického pole, které je zase přímo úměrné napětí. To znamená, že ke zvýšení nebo snížení rychlosti stačí zvýšit nebo snížit úroveň výkonu. A pro obrácení je nutné přepnout polaritu. Tento způsob ovládání nevyžaduje speciální ovladač, protože ovladač pojezdu může být vyroben na základě proměnného odporu a konvenční spínač bude fungovat jako invertor.

Konstrukční vlastnosti bezkomutátorových motorů jsme zvažovali v předchozí části. Jak si pamatujete, jejich připojení vyžaduje speciální ovladač, bez kterého prostě nebudou fungovat. Ze stejného důvodu nelze tyto motory použít jako generátor.

Za zmínku také stojí, že u některých pohonů tohoto typu jsou pro efektivnější řízení polohy rotoru sledovány pomocí Hallových senzorů. To výrazně zlepšuje vlastnosti bezkomutátorových motorů, ale vede to ke zvýšení nákladů na již tak nákladnou konstrukci.

Jak nastartovat bezkomutátorový motor?

Aby tento typ pohonu fungoval, je nutný speciální ovladač (viz obrázek 6). Bez něj je spuštění nemožné.

Střídavé ovladače motorů pro modelování

Rýže. 6. Střídavé regulátory motorů pro modelování

Nemá smysl sestavit takové zařízení sami, bude levnější a spolehlivější koupit hotové. Můžete jej vybrat podle následujících charakteristik obsažených v ovladačích kanálu PWM:

  • Maximální přípustný proud, tato charakteristika je uvedena pro normální provoz zařízení. Poměrně často výrobci uvádějí tento parametr v názvu modelu (například Phoenix-18). V některých případech je uvedena hodnota pro špičkový režim, kterou může regulátor udržovat několik sekund.
  • Maximální jmenovité napětí pro nepřetržitý provoz.
  • Odpor vnitřních obvodů regulátoru.
  • Přípustný počet otáček, udávaný v ot./min. Nad tuto hodnotu regulátor nedovolí zvýšit otáčky (omezení je implementováno na softwarové úrovni). Vezměte prosím na vědomí, že rychlost je vždy uvedena pro 60000-pólové pohony. Pokud je pólových párů více, vydělte hodnotu jejich počtem. Například je uvedeno číslo 6 ot./min., proto pro 60000-magnetický motor bude rychlost otáčení 3/20000=XNUMX ot./min.
  • Frekvence generovaných impulsů, u většiny regulátorů se tento parametr pohybuje od 7 do 8 kHz, dražší modely umožňují přeprogramovat parametr a zvýšit jej na 16 nebo 32 kHz.

Všimněte si, že první tři charakteristiky určují kapacitu databáze.

Bezkartáčové ovládání motoru

Jak bylo uvedeno výše, komutace vinutí pohonu je řízena elektronicky. Aby řidič určil, kdy přepnout, sleduje polohu kotvy pomocí Hallových senzorů. Pokud měnič není vybaven takovými detektory, pak se bere v úvahu zpětná EMF, která se vyskytuje v nezapojených statorových cívkách. Kontrolér, který je ve skutečnosti hardwarově-softwarovým komplexem, tyto změny sleduje a nastavuje pořadí přepínání.

ČTĚTE VÍCE
Kdy zasadit papriky do otevřeného terénu podle lunárního kalendáře?

Třífázový bezkomutátorový DC motor

Většina databází se provádí v třífázovém provedení. Pro řízení takového pohonu má regulátor stejnosměrný na třífázový pulzní měnič (viz obr. 7).

Schémata napětí BD

Obrázek 7. Diagramy napětí DB

Abychom vysvětlili, jak takový bezkomutátorový motor funguje, měli bychom zvážit obrázek 7 spolu s obrázkem 4, kde jsou postupně znázorněny všechny fáze provozu pohonu. Pojďme si je zapsat:

  1. Kladný impuls je aplikován na cívky „A“, zatímco záporný impuls je aplikován na „B“, v důsledku toho se kotva pohybuje. Senzory zaznamenají jeho pohyb a pošlou signál pro další sepnutí.
  2. Cívka “A” se vypne a kladný impuls přejde na “C” (“B” zůstane nezměněn), poté je dán signál další sadě impulsů.
  3. „C“ je kladné, „A“ záporné.
  4. Funguje dvojice „B“ a „A“, které dostávají pozitivní a negativní impulsy.
  5. Kladný puls je znovu aplikován na “B” a záporný puls na “C”.
  6. Cívky “A” jsou zapnuty (+ je dodáváno) a záporný impuls se opakuje na “C”. Poté se cyklus opakuje.

Ve zjevné jednoduchosti řízení je mnoho obtíží. Je nutné nejen sledovat polohu kotvy, aby se vytvořila další série impulsů, ale také řídit rychlost otáčení úpravou proudu v cívkách. Kromě toho byste měli zvolit nejoptimálnější parametry pro zrychlení a zpomalení. Za zmínku také stojí, že ovladač musí být vybaven blokem, který umožňuje ovládat jeho provoz. Vzhled takového multifunkčního zařízení je vidět na obrázku 8.

Multifunkční bezkomutátorový ovladač motoru

Rýže. 8. Multifunkční bezkomutátorový regulátor motoru

Výhody a nevýhody

Elektrický bezkomutátorový motor má mnoho výhod, jmenovitě:

  • Životnost je mnohem delší než u běžných kolektorů.
  • Vysoká účinnost.
  • Rychlé nastavení na maximální rychlost otáčení.
  • Je výkonnější než CD.
  • Absence jisker během provozu umožňuje použití pohonu v podmínkách nebezpečí požáru.
  • Není potřeba žádné další chlazení.
  • Jednoduchá obsluha.

Nyní se podíváme na nevýhody. Významnou nevýhodou, která omezuje použití databází, je jejich relativně vysoká cena (s přihlédnutím k ceně ovladače). Mezi nepříjemnosti patří nemožnost použití databáze bez ovladače ani pro krátkodobou aktivaci, například pro kontrolu výkonu. Oprava problému, zejména pokud je nutné převinutí.

V domácích elektrických zařízeních, kde se používají elektromotory, jsou obvykle instalovány elektrické stroje s mechanickou komutací. Tento typ motoru se nazývá komutátorový motor (dále jen CM). Navrhujeme zvážit různé typy takových zařízení, jejich provozní principy a konstrukční vlastnosti. Také si povíme o výhodách a nevýhodách každého z nich a uvedeme příklady rozsahu použití.

ČTĚTE VÍCE
Kde lze beton M150 použít?

Co je kartáčovaný motor?

Tato definice znamená elektrický stroj, který přeměňuje elektřinu na mechanickou energii a naopak. Konstrukce zařízení předpokládá přítomnost alespoň jednoho vinutí připojeného ke kolektoru (viz obr. 1).

Komutátor na rotoru motoru (označený červeně)

Obrázek 1. Komutátor na rotoru motoru (označený červeně)

U CD se tento konstrukční prvek používá pro spínání vinutí a jako snímač pro určení polohy kotvy (rotoru).

Typy CD

Je obvyklé klasifikovat tato zařízení podle typu napájení, v závislosti na tom se rozlišují dvě skupiny CD:

  1. Stejnosměrný proud. Takové stroje se vyznačují vysokým rozběhovým momentem, plynulou regulací otáček a relativně jednoduchou konstrukcí.
  2. Univerzální. Mohou pracovat z konstantních i proměnných zdrojů energie. Vyznačují se kompaktními rozměry, nízkou cenou a snadnou správou.

První z nich se dělí na dva podtypy, podle uspořádání induktoru může být na permanentních magnetech nebo speciálních budicích cívkách. Slouží k vytvoření magnetického toku potřebného k vytvoření točivého momentu. CD, kde se používají budicí cívky, se rozlišují podle typů vinutí, mohou to být:

  • nezávislý;
  • paralelní;
  • konzistentní;
  • smíšené.

Když jsme se zabývali typy, uvažujme každý z nich.

Univerzální typ CD

Níže uvedený obrázek ukazuje vzhled elektrického stroje tohoto typu a jeho hlavní konstrukční prvky. Tento design je typický pro téměř všechna CD.

Návrh univerzálního komutátorového motoru

Návrh univerzálního komutátorového motoru

Označení:

  • A – mechanický komutátor, nazývá se také kolektor, jeho funkce byly popsány výše.
  • B – držáky kartáčů, sloužící k uchycení kartáčů (zpravidla z grafitu), kterými je přiváděno napětí do vinutí kotvy.
  • C – Jádro statoru (složené z desek, jejichž materiálem je elektroocel).
  • D – Statorová vinutí, tato jednotka patří do budícího systému (induktoru).
  • E – Hřídel kotvy.

U zařízení tohoto typu může být buzení sériové nebo paralelní, ale protože druhá možnost se v současné době nevyrábí, nebudeme ji uvažovat. Co se týče univerzálních CD se sekvenčním buzením, typické schéma takových elektrických strojů je uvedeno níže.

Schéma univerzálního komutátorového motoru

Schéma univerzálního komutátorového motoru

Univerzální CD může pracovat se střídavým napětím díky tomu, že při změně polarity mění směr i proud ve vinutí pole a kotvy. V důsledku toho točivý moment nemění svůj směr.

Vlastnosti a rozsah univerzálních CD

Hlavní nevýhody tohoto zařízení se projevují při připojení ke zdrojům střídavého napětí, což se odráží v následujícím:

  • snížení účinnosti;
  • zvýšené jiskření v jednotce sběrače kartáčů a v důsledku toho její rychlé opotřebení.

Dříve se CD hojně používalo v mnoha domácích elektrospotřebičích (nářadí, pračky, vysavače atd.). V současné době výrobci prakticky přestali používat tento typ motoru a dávají přednost bezkomutátorovým elektrickým strojům.

ČTĚTE VÍCE
Jaký je jednoduchými slovy rozdíl mezi stejnosměrným a střídavým proudem?

Nyní se podívejme na kolektorové elektrické stroje pracující ze zdrojů konstantního napětí.

CD s induktorem s permanentním magnetem

Konstrukčně se takové elektrické stroje liší od univerzálních tím, že místo budicích cívek jsou použity permanentní magnety.

Návrh komutátorového motoru s permanentními magnety a jeho schéma

Návrh komutátorového motoru s permanentními magnety a jeho schéma

Tento typ CD je nejrozšířenější ve srovnání s jinými elektrickými stroji tohoto typu. Důvodem je nízká cena díky jednoduchosti konstrukce, jednoduchému ovládání rychlosti otáčení (v závislosti na napětí) a změně jeho směru (stačí změnit polaritu). Výkon motoru přímo závisí na síle pole vytvářeného permanentními magnety, což přináší určitá omezení.

Hlavní oblastí použití jsou nízkoenergetické pohony pro různá zařízení, často používané v dětských hračkách.

CD na permanentní magnety z hračky z dob SSSR

CD na permanentní magnety z hračky z dob SSSR

Mezi výhody patří následující vlastnosti:

  • vysoký točivý moment i při nízkých otáčkách;
  • dynamické řízení;
  • nízké náklady.

Hlavní nevýhody:

  • nízký výkon;
  • magnety ztrácejí své vlastnosti přehřátím nebo časem.

Abychom odstranili jednu z hlavních nevýhod těchto zařízení (stárnutí magnetů), používají se v budicím systému speciální vinutí, přejděme k úvahám o takových CD.

Nezávislé a paralelní budicí cívky

První dostal tento název díky tomu, že vinutí tlumivky a kotvy nejsou navzájem spojeny a jsou napájeny samostatně (viz A na obr. 6).

CD obvody s nezávislým (A) a paralelním (B) budicím vinutím

Obrázek 6. Obvody CD s nezávislým (A) a paralelním (B) budicím vinutím

Zvláštností tohoto zapojení je, že napájecí zdroj U a UK se musí lišit, jinak vznikne moment síly. Není-li možné takové podmínky zorganizovat, pak jsou kotva a cívky induktoru zapojeny paralelně (viz B na obr. 6). Oba typy CD mají stejné vlastnosti, zjistili jsme, že je možné je kombinovat v jedné sekci.

Točivý moment takových elektrických strojů je při nízkých otáčkách vysoký a s rostoucím se snižuje. Je charakteristické, že proudy kotvou a cívkou jsou nezávislé a celkový proud je součtem proudů procházejících těmito vinutími. V důsledku toho, když proud budicí cívky klesne na 0, CD pravděpodobně selže.

Rozsah použití takových zařízení jsou elektrárny s výkonem 3 kW nebo více.

Pozitivní vlastnosti:

  • nepřítomnost permanentních magnetů eliminuje problém jejich selhání v průběhu času;
  • vysoký točivý moment při nízkých otáčkách;
  • jednoduché a dynamické ovládání.

nevýhody:

  • náklady jsou vyšší než náklady na zařízení s permanentními magnety;
  • je nepřípustné, aby proud na budicí cívce klesl pod prahovou hodnotu, protože to povede k průrazu.

Sériová budicí cívka

Schéma takového CD je na obrázku níže.

ČTĚTE VÍCE
Jaké dřevo je nejlepší použít na schodišťové stupně?

CD obvod se sekvenčním buzením

CD obvod se sekvenčním buzením

Protože jsou vinutí zapojena do série, proud v nich bude stejný. V důsledku toho, když je proud ve vinutí statoru menší než jmenovitý (k tomu dochází při nízké zátěži), výkon magnetického toku klesá. V souladu s tím, když se zátěž zvyšuje, úměrně se zvyšuje výkon toku, dokud není magnetický systém zcela nasycen, poté je tato závislost přerušena. To znamená, že další zvýšení proudu ve vinutí cívky kotvy nevede ke zvýšení magnetického toku.

Výše zmíněná vlastnost se projevuje tím, že kompresor tohoto typu nelze spustit při zátěži o čtvrtinu nižší, než je jmenovitá zátěž. To může vést k tomu, že rotor elektrického stroje prudce zvýší rychlost otáčení, to znamená, že motor přejde do otáček. V souladu s tím tato vlastnost zavádí omezení rozsahu použití, například v mechanismech řemenového pohonu. To je způsobeno tím, že když se rozbije, elektrický stroj začne pracovat v režimu nečinnosti.

Tato funkce se nevztahuje na zařízení, jejichž výkon je nižší než 200 W; poklesy zátěže až do klidového režimu jsou pro ně přijatelné.

Výhody sériového ovládání cívky jsou stejné jako u předchozího modelu, s výjimkou jednoduchosti a dynamického ovládání. Pokud jde o nevýhody, zahrnují:

  • vysoké náklady ve srovnání s analogy s permanentními magnety;
  • nízká úroveň točivého momentu při vysoké rychlosti;
  • protože stator a budicí vinutí jsou zapojeny do série, vznikají problémy s řízením rychlosti otáčení;
  • provoz bez zatížení vede k selhání CD.

Smíšené budicí cívky

Jak je vidět ze schématu na obrázku níže, induktor na bázi CD tohoto typu má dvě cívky zapojené v sérii a paralelně k vinutí rotoru.

CD obvod se smíšenými budicími cívkami

CD obvod se smíšenými budicími cívkami

Jedna z cívek má zpravidla větší magnetizační sílu, proto je považována za hlavní, respektive druhá je přídavná (pomocná). Je povoleno protishodné a koordinované zapojení cívek, v závislosti na tom intenzita magnetického toku odpovídá rozdílu nebo součtu magnetických sil každého vinutí.

Při obráceném zapojení se charakteristika CD přiblíží odpovídajícím indikátorům elektrických strojů se sériovým nebo paralelním buzením (podle toho, která z cívek je hlavní). To znamená, že takové zahrnutí je relevantní, pokud je nutné získat výsledek ve formě konstantní rychlosti nebo zvýšení rychlosti s rostoucí zátěží.

Koordinované zařazení vede k tomu, že charakteristiky stejnosměrného proudu budou odpovídat průměrné hodnotě ukazatelů elektrických strojů s paralelními a sériovými budicími cívkami.

Jedinou nevýhodou tohoto provedení je nejvyšší cena ve srovnání s jinými typy CD. Cena je odůvodněná následujícími pozitivními vlastnostmi: