Bezkartáčový motor – konstrukce, provoz a silné stránky

Základním úkolem elektromotoru je přeměna elektrické energie na mechanickou, tedy uvést do pohybu hřídel poháněného zařízení. V klasických motorech získává komutátor rotujícího rotoru elektrický náboj z kartáčů zhotovených z grafitu, které vedou elektřinu přímým kontaktem s rotujícím prvkem. Magnetické pole vytvořené v důsledku komutace pomocí speciálních magnetů generuje rotační pohyb.
Konstrukce, a tedy i princip fungování bezkartáčového motoru jsou poněkud odlišné. V tomto zařízení byly komutátor a kartáče nahrazeny cívkami navinutými na nehybném jádru, tzv. statoru (v kartáčovém motoru jsou cívky umístěny na pohyblivém rotoru). Právě tyto, prostřednictvím protékajícího jimi proudu, vytvářejí magnetické pole generující otáčení rotoru. Velmi častým a základním řešením je použití tří vinutí. Vzhledem k výskytu zvlnění točivého momentu nabízejí výrobci také motory vybavené sadami s jedním až osmi páry pólů.
Protože nedochází k přímému kontaktu rotujícího prvku s nehybnými cívkami použití grafitových kartáčů není nutné. Použití permanentních magnetů v konstrukci bezkartáčového motoru umožňuje dosáhnout větší točivý moment a zlepšit účinnost zařízení. To vše díky vysoké hustotě energie, kterou se tyto magnety vyznačují.

Proč byste se měli rozhodnout pro bezkartáčové motory

Konstrukční řešení bezkartáčového motoru přináší řadu výhod. Nejdůležitější rozdíly, které je třeba zmínit, jsou tyto:

• Tišší a méně poruchový provoz zařízení – během provozu se kartáče třou o rotující prvky a způsobují hluk. Kartáče jsou nejčastěji opotřebovávaným prvkem zařízení v komutátorových motorech, což výrazně zkracuje jejich životnost;
• Zlepšení bezpečnosti práce – při provozu bezkartáčového motoru nedochází k nebezpečnému pro uživatele jiskření, které se vyskytuje u klasických pohonů. Tato výhoda umožňuje použití motoru ve výbušném a hořlavém prostředí;
• Vyšší účinnost zařízení – eliminace mechanického odporu umožňuje dosáhnout vyšších otáček rotoru a zlepšit točivý moment;
• Vylepšená výdrž baterie – bezkartáčový motor odebírá méně proudu ve srovnání se svým tradičním protějškem. Tato skutečnost je nesmírně důležitá v případě akumulátorových zařízení, která na jedno nabití mohou pracovat mnohem déle;
• Přesnější ovladatelnost – BLDC motory umožňují velmi přesné řízení točivého momentu, což vede ke snížení setrvačnosti a omezení spotřeby elektrické energie;
• Výrazné snížení nebo odstranění nutnosti údržby – při správném používání by měl motor fungovat bezchybně, bez nutnosti vnějšího zásahu do konstrukce. Odstranění kartáčů znamená, že uvnitř zařízení nejsou žádné další kritické prvky, které by se při běžném provozu opotřebovávaly. Výhodou toho je možnost instalovat motor na obtížně přístupném místě.

Aplikace, kde je bezkartáčový motor bezkonkurenční

Tyto motory jsou ideální pro počítačové vybavení, které vyžaduje bezpečný a nepřerušovaný provoz po dlouhou dobu. Příkladem mohou být pevné disky nebo počítačové ventilátory, které během používání počítače neustále snižují teplotu jeho komponentů. Jak již bylo uvedeno výše, jsou nenahraditelné v profesionálních akumulátorových zařízeních, jako jsou například šroubováky, vrtačky nebo úhlové brusky, a to díky omezení spotřeby energie a minimalizaci rozměrů. Provoz „na baterii“ je pak úsporný a jeho doba trvání je delší. Velmi populárním průmyslovým odvětvím, které v současné době ve velké míře využívá bezkartáčové motory, je výroba elektrických a hybridních automobilů. Stejně důležité je použití bezkartáčové technologie při konstrukci praček a klimatizací. Bezjiskrový provoz je nutný kvůli vysokému riziku úrazu elektrickým proudem. Výrobci praček navíc u výrobků vybavených bezkartáčovými motory nabízejí delší záruční dobu díky stabilnějšímu chodu bubnu, který umožňuje méně poruchový provoz. Další výhodou nákupu takové pračky je snížení provozních nákladů.

Rozdělení bezkartáčových motorů – BLDC a PMSM motory

Nejčastěji používanými bezkartáčovými motory jsou BLDC motory (Brushless DC Motor), tedy řešení s lichoběžníkovým rozložením elektromotorické síly a PMSM motory (Permament Magnet Synchronous Motor) se sinusovým SEM rozložením. Rozlišujeme také pohony napájené stejnosměrným a střídavým proudem.

Řízení bezkartáčového motoru

Použití vinutí na statoru umožňuje seřízení motoru změnou proudů, které na ně působí, a průběžně ovlivňovat hodnotu točivého momentu. Jak již bylo uvedeno výše, existují BLDC a PMSM motory. Označení typu motoru určuje způsob řízení zařízení. Lichoběžníkové řízení umožňuje seřízení v případě, že není vyžadována kontrola otáček a točivého momentu motoru. Tyto motory jsou vybaveny Hallovymi senzory, které určují polohu rotoru. Toto řešení je méně komplikované, ale také méně přesné. Hlavní nevýhodou takové konstrukce je problematické seřizování při nízkých otáčkách.
U PMSM motorů, tedy motorů se sinusovým průběhem elektromotorické síly, jsou nežádoucí komutační efekty vyskytující se v BLDC motorech eliminovány díky použití speciálních enkodérů, které zároveň umožňují volné seřízení i při nízkých otáčkách. Toto řešení navíc minimalizuje riziko výskytu zvlnění točivého momentu.
Třetím a nejpokročilejším typem seřízení v bezkartáčových motorech je vektorové řízení. Toto řešení spočívá v použití speciálního transformačního bloku před PI regulátorem. Výsledkem tohoto postupu je zlepšení přesnosti řízení ve srovnání se dvěma předchozími typy při současném odstranění zvlnění a dobré seřizovatelnosti v nízkém rozsahu otáček.

Shrnutí

Připojení bezkartáčového motoru je nepochybně řešením, které stojí za pozornost jak výrobce, tak i spotřebitele. Výrobce se zbavuje rizika častých poruch. Výrobky získávají na kvalitě a zároveň snižují množství dílů potřebných pro montáž. Kupující naproti tomu obdrží produkt, který bude sloužit po celá léta a nebude vyžadovat zvláštní zásahy do jeho provozu. Navzdory určitému cenovému rozdílu nakupujeme klid a bezpečnost na celou dobu používání. Proto stojí za to si prohlédnout nabídku zařízení vybavených bezkartáčovými motory.

Text připravila společnost Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
https://www.tme.eu/cz/news/library-articles/page/44880/bezkartacovy-motor-konstrukce-provoz-a-silne-stranky/