Bezkomutátorový motor | Robotika Rozum

První elektromotory, pocházející z počátku devatenáctého století, používaly mechanicky spojené prvky k produkci jednosměrného točivého momentu.
Jak technologický pokrok nabíral na síle, konstruktéři se zbavili zbytečných mechanických dílů a nahradili je polovodičovými součástkami, aby vyrobili účinnější technologii – bezkomutátorové střídavé motory a bezkomutátorové stejnosměrné motory.

Jaké jsou výhody těchto změn?

Porovnání kartáčovaného motoru a bezrámového bezkomutátorového momentového motoru

Abychom pochopili hlavní rozdíl mezi těmito dvěma technologiemi, je nutné znát vlastnosti jejich konstrukce a provozu.

Mechanicky komutovaný motor se skládá z rotující kotvy s drátěným vinutím a stacionárního prstence s elektromagnety nebo permanentními magnety. Kromě toho zařízení obsahuje komutátor – válec namontovaný na hřídeli připojené k vinutí kotvy – a několik kartáčů, obvykle vyrobených z netuhých vodičů (například z grafitu).

Při přivedení napětí na kotvu se vytvoří magnetické pole, které způsobí rotaci rotoru. Otáčení pokračuje jedním směrem po dobu půl celé otáčky (půl otáčky), dokud se neobrátí póly proudu. V tomto okamžiku, kdy je moment síly nulový, se aktivují kartáče a v interakci s komutátorem mění směr proudu. Tímto způsobem rotační pohyb pokračuje bez přerušení a umožňuje motoru produkovat nepřetržitý krouticí moment bez změny směru.

Bezkomutátorový momentový motor je shodný s dříve popsaným typem v tom smyslu, že oba typy motorů mají pohyblivé a stacionární součásti, a to rotor a stator. Bezkomutátorové bezrámové motory, věrné svému názvu, však nemají kartáče pro spínání proudu. Místo toho je tento typ motoru vybaven polovodičovými tranzistory.

Protože se již pro spínání nepoužívají mechanicky vázané prvky, je proud přiváděn přímo do cívek statoru, kde tak vzniká elektromagnetické pole. V důsledku interakce pole s magnety rotoru dochází k rotačnímu pohybu. Jakmile je dosaženo nastavené hodnoty o půl otáčky, tranzistory obrátí (nebo přeruší) proud a vytvářejí točivý moment ve stejném směru.

Jaké jsou výhody této technologie?

Hlavní zlepšení dosažená nahrazením mechanického spínání polovodičovou elektronikou souvisí s následujícími vlastnostmi:

• velikost
• Производительность
• Přijatelný rozsah rychlostí
• zabezpečení
• Dlouhá životnost a nižší provozní náklady
• Žádné rušení způsobené elektromagnetickou indukcí a snížená hlučnost během provozu
• Široká škála možností použití a regulace

Níže uvedená data shrnují rozdíly mezi těmito dvěma technologiemi na základě výše uvedených specifikací:

Aplikace komutačních kartáčů

• Větší velikost zařízení je dána mechanickým provedením kontaktů, které zvyšuje nejen velikost, ale i hmotnost.
• Kluzné kontaktní tření má za následek výrazné snížení celkového výkonu.
• Díky kartáčovanému mechanickému provedení je omezen maximální přípustný počet otáček za minutu.
• Kluzné kontakty způsobují jiskry; Takový mechanismus je absolutně bezpečný pouze pro použití v zaručeně nevýbušném a nehořlavém prostředí.
• Grafitové kolektorové prvky se rychle opotřebovávají a kontaminují vnitřní povrchy motoru prachem.
• V kontaktu s blokem kolektoru vydávají posuvné kontakty poměrně hlasitý zvuk a generují významný elektronický šum.
• Nejlepší výsledky vykazuje při provozu v nízkých otáčkách, když motor zrychluje, točivý moment klesá.
• Jednoduché ovládání pohybu.

Bezkartáčové spínání

• Vyvážená hmotnost a rozměry díky absenci rozdělovací jednotky.
• Výrazně vyšší poměr výkonu k hmotnosti a točivého momentu k hmotnosti.
• Minimální setrvačnost rotoru umožňuje pohyb při vyšších rychlostech.
• Díky nahrazení mechanického spínání elektrickými tranzistory není pracovní proces doprovázen tvorbou jisker. Bezpečné použití i ve výbušném prostředí.
• Absence opotřebitelných dílů eliminuje potřebu údržby a snižuje náklady.
• Zvýšená pevnost, životnost je omezena pouze životností ložisek.
• Tichý provoz a snížené elektromagnetické rušení.
• Komplexní řídicí logika, ale zároveň pokročilé možnosti regulace pohybu, jako je postupné provádění mikropříkazů, přísun přídržného momentu atd.

Na základě srovnávací analýzy má bezkomutátorový bezrámový motor řadu výhod, především z hlediska kompaktnosti a výkonu.

Na druhou stranu mechanicky komutované motory jsou levné a jednoduché, zatímco bezkomutátorové motory mají složitý ovládací mechanismus a při zvýšených teplotách je vysoké riziko demagnetizace.

Elektromotory stejnosměrného, ​​střídavého a dalších konfigurací

Z hlediska konstrukčních vlastností lze bezkomutátorové motory rozdělit na motory s vnitřním a vnějším rotorem.

V pohonu motoru s vnitřním rotorem se rotorový prstenec vybavený magnety otáčí uvnitř obklopujícího statoru. U motorů s vnějším rotorem jsou cívky statoru upevněny ve své poloze v jádru sestavy, zatímco rotující rotor je umístěn vně.

Motory s vnitřním rotorem mají obvykle užší průměr než motory s vnějším rotorem, ale mají delší skříň. Z hlediska výkonu poskytuje motor s vnějším rotorem nižší otáčky na volt (Kv ve specifikaci). Protože hodnota kV je nepřímo úměrná velikosti točivého momentu, motory s vnějším rotorem generují větší točivý moment.

Motory s vnitřním rotorem mají lepší odvod tepla a zároveň vykazují vyšší výkon ve srovnání s motory s vnějším rotorem.

Podle klasifikace typu vinutí mohou být bezkomutátorové motory vybaveny trojúhelníkovými nebo hvězdicovými cívkami.

V konfiguraci trojúhelníku jsou fáze motoru spojeny dohromady a proud je přiváděn do kontaktních bodů. S vinutím Y (známým jako hvězdicové vinutí) se fáze protínají ve středu. V případě konfigurace trojúhelníku se s klesajícími otáčkami výstupní točivý moment snižuje, přičemž práh maximální rychlosti je vyšší než u konfigurace do hvězdy. Hvězdicová vinutí jsou z hlediska maximální rychlosti horší, ale zároveň poskytují značný točivý moment i v nízkých otáčkách.

Obecným závěrem je, že „hvězdové“ schéma je efektivnější.

Ve skupině bezkomutátorových bezrámových motorů s permanentními magnety lze rozlišit i synchronní stejnosměrné a střídavé motory.

Motory mají stejnou konstrukci: rotor s feritovými magnety nebo magnety ze vzácných zemin a stator bez sestavy kartáč-komutátor.

Stejnosměrné i střídavé bezkomutátorové motory jsou synchronní, což znamená, že se magnetická pole na statoru i rotoru otáčejí stejnou frekvencí a rychlostí. Avšak vinutí statoru jsou vyrobena podle různých obvodů, což s sebou nese různé charakteristiky zpětné elektromotorické síly (EMF).

Technické údaje:

Zpětná elektromotorická síla je jev spojený s elektromagnetickou indukcí, kdy vodičem prochází určité množství napětí, které působí proti změně směru připojeného proudu.

Magnety vzácných zemin jsou krystalizované slitiny obsahující prvky vzácných zemin. S vynikající magnetickou anizotropií mohou magnety vzácných zemin poskytovat dvojnásobnou přitažlivou sílu než jejich feritové protějšky, čímž vytvářejí silnější magnetické pole.

Statorové vinutí u stejnosměrných motorů je vyrobeno v lichoběžníkovém vzoru, který vytváří lichoběžníkový tvar vlny působící proti elektromotorické síle (EMF vlna). Použitím sinusového vzoru vinutí generují frekvenční měniče odpovídající sinusové EMF vlny, které minimalizují zvlnění točivého momentu, což má za následek hladké otáčení.

Mezi nevýhody tohoto schématu stojí za zmínku, že sinusové řízení je založeno na složitějších algoritmech než lichoběžníkové. Lichoběžníkové uspořádání je zároveň doprovázeno výrazným akustickým a elektrickým šumem.

motory řady FMI. Původní vývoj od Rozum Robotics:

• Bezkomutátorové spínání minimalizuje ztráty výkonu způsobené třením, poskytuje tichý provoz bez jisker při zachování lepší ovladatelnosti motoru.
• Robustní a spolehlivá konstrukce dutého hřídele umožňuje snadnou integraci motoru i ve stísněných prostorách.
• Vinutí je vyrobeno v hvězdicové konfiguraci, což umožňuje udržet točivý moment i při nízkých otáčkách.
• Základní vnitřní konfigurace rotoru a magnety ze vzácných zemin umožňují ultra vysokou účinnost v kompaktní velikosti.
• Vztahuje se na synchronní podtyp střídavých motorů, které poskytují plynulé otáčení bez pulzace točivého momentu, hluku a elektromagnetického rušení.
• Aby se zabránilo demagnetizaci, jsou do cívek rotoru zabudovány prvky citlivé na teplotu, které monitorují přehřátí.
• S bezrámovým motorem FMI získáte vynikající poměr výkonu a hmotnosti, intenzivní točivý moment, zvýšený výkon a méně problémů s údržbou.

Všechny motory se skládají ze statoru a rotoru, u stejnosměrného motoru, aby se rotor začal otáčet, musí se neustále měnit směr proudu, jinak se rotor může otočit jen o půl otáčky, což je podobné jako u jízdního kola pedál. Stejnosměrné motory proto potřebují komutátory. Zobecněný stejnosměrný motor obsahuje kartáčovaný motor a bezkomutátorový motor. Kartáčový motor je také známý jako DC motor nebo motor s uhlíkovými kartáči, často označovaný jako DC motor označuje kartáčovaný DC motor, používá mechanickou komutaci, vnější magnetický pól nepohybuje vnitřní cívkou (kotvou), komutátor a cívka rotoru se otáčí spolu, kartáč a Magnet se nepohybuje, takže komutátor a kartáč třením tření, kompletní přepínání směru proudu.

Nevýhody kartáčovaného motoru

1. Jiskry vznikající mechanickou komutací způsobují tření komutátoru a kartáče, elektromagnetické rušení, vysoký hluk, krátkou životnost.

2. Nízká spolehlivost, poruchy, nutná častá údržba.

3. V důsledku přítomnosti komutátoru je omezena setrvačnost rotoru, maximální rychlost je omezena a dynamický výkon je zhoršen. Protože má tolik nevýhod, je stále široce používán, protože má vysoký krouticí moment, jednoduchou konstrukci a snadnou údržbu (tj. výměna uhlíkových kartáčů) a nízkou cenu.

Stejnosměrný motor – Bezkomutátorový motor

Střídavému motoru se v některých oblastech říká také stejnosměrný motor s proměnnou frekvencí (BLDC), používá elektronický komutátor (Hallův senzor), cívka (kotva) nepohybuje magnetickým pólem, v tuto chvíli může být permanentní magnet buď mimo cívky nebo uvnitř cívky, takže je vnější rotor bezkomutátorového motoru a vnitřní rotor bezkomutátorového motoru.

Konstrukce bezkomutátorového motoru je stejná jako u synchronního motoru s permanentními magnety. Jeden bezkomutátorový motor však není kompletní energetický systém, bezkomutátorový motor potřebuje hlavně ovládat bezkomutátorovým regulátorem, tedy elektrickou regulací, aby byl zajištěn nepřetržitý provoz. To, co skutečně určuje jeho výkon, je bezkomutátorový elektronický regulátor (tj. elektrická regulace).

Obecně platí, že hnací proud bezkomutátorového motoru má dva typy, jeden je obdélníkový a druhý je sinusový. Někdy se první jmenovaný nazývá bezkomutátorový stejnosměrný motor a druhý se nazývá střídavý servomotor, což je ve skutečnosti typ střídavého servomotoru. (video portál) Provozní režim bezkomutátorových motorů je různý a lze jej rozdělit na interní rotační bezkomutátorové motory a externí rotační bezkomutátorové motory. Vnitřní rotor je třífázový, cena je dražší. Vnější rotor se obecně používá u jednofázových, cenově dostupných, sériová výroba se přiblížila motoru s uhlíkovými kartáči, takže se v posledních letech rozšířil. Cena tří fází vnějšího rotoru se přiblížila ceně vnitřního rotoru.

No, můžete hádat, že nevýhody kartáčovaných motorů jsou výhody bezkomutátorových motorů. Má výhody vysoké účinnosti, nízké spotřeby, nízké hlučnosti, dlouhé životnosti, vysoké spolehlivosti, servořízení, plynulé regulace frekvence (až do velmi vysokých otáček), je relativně menší než kartáčovaný DC motor, ovládání je jednodušší než AC indukční motor, počáteční točivý moment je velký, přetížitelnost a nevýhody. Je dražší než typ štětce a náročnější na údržbu.

Stejnosměrný motor – Princip řízení rychlosti

Regulace otáček stejnosměrného motoru: Toto se nazývá regulace otáček, to znamená úpravou otáček motoru pro získání požadovaného točivého momentu. Stejnosměrný (kartáčový) motor lze upravit změnou napětí, sériového odporu, změnou buzení, ale skutečná regulace napětí je nejpohodlnější a nejběžněji používaná, v současné době hlavní použití regulace otáček PWM, PWM se ve skutečnosti provádí přes vysokorychlostní spínání pro regulaci proudu stejnosměrného napětí, cyklus, doba zapnutí je dlouhá, průměrné napětí je vysoké, doba vypnutí je dlouhá, průměrné napětí je nízké, je velmi vhodné pro nastavení, pokud je rychlost spínání vysoká dost, harmonické sítě jsou menší a proud je větší kontinuální.

Kartáče a komutátor se však časem opotřebovávají, při zpětném chodu dochází k výrazné změně proudu, což velmi snadno způsobuje jiskření, komutátor a kartáč omezují výkon a otáčky stejnosměrného motoru, což má za následek úzké hrdlo v regulaci otáček. stejnosměrného motoru. U bezkomutátorových stejnosměrných motorů plocha pro ovládání otáček ovládá pouze vstupní napětí, ale systém automatického řízení frekvence motoru (samotný bezkomutátorový stejnosměrný motor je vybaven detektorem polohy rotoru a dalšími zařízeními pro sběr signálu polohy rotoru a využívá signál polohy rotoru toto zařízení pro ovládání zařízení pro řízení rychlosti komutačního času s proměnným napětím a frekvencí) automaticky řídí frekvenci v závislosti na střídavém napětí.

Je téměř stejný jako stejnosměrný (kartáčový) motor a je velmi pohodlný. Protože rotor používá permanentní magnet, není potřeba žádné speciální vinutí pole, při stejném výkonu je motor menší, lehčí, efektivnější, kompaktnější, spolehlivější v provozu a má lepší dynamický výkon, což je široce používáno v elektrických vozidlech pohony.