Střídavé komutátorové motory: Jednofázové a třífázové komutátorové elektromotory | SZEMO

V mnoha průmyslových odvětvích jsou k provádění technologických procesů vyžadovány střídavé komutátorové motory: jednofázové a třífázové komutátorové elektromotory. Strukturálně se prakticky neliší od svých DC „bratrů“. Mechanismus AC motoru se skládá z:

• rotor se smyčkovým (paralelním) nebo vlnovým (symetrickým) vinutím;
• kolektor, ke kterému je připojeno vinutí;
• stator vyrobený z ocelových elektrických desek.

Výhody a nevýhody kartáčovaných střídavých motorů

Jednotky tohoto typu úspěšně řeší problémy, které jsou závislé na provozu elektrického pohonu. Jejich hlavní výhodou je možnost plynule regulovat rychlost v režimu úspory energie.

Nejsou však vhodné pro použití v každé výrobě z důvodu:

• složitost jejich výroby;
• vysoké náklady;
• potřeba pracně náročné údržby kartáčového mechanismu a komutátoru;
• špatné proudové podmínky ve spínání obvodu kotvy.

Jednofázové komutátorové motory

Jednofázový motor obsahuje tři vinutí. První je umístěn na elektrických sloupech a plní funkci buzení. Druhé (kompenzační vinutí) je umístěno ve štěrbinách rotoru a kompenzuje negativní jev reakce kotvy. Přídavné vinutí je určeno pro přídavné póly a je šuntováno pomocí aktivního odporu.

Při vybuzení hlavního vinutí se generují kompenzační proudy a magnetické pole, které vytváří krouticí moment. Jeho směr se shoduje se směrem rotace magnetického pole. Přepnutím svorek budícího vinutí můžete změnit směr točivého momentu.

Kompenzační vinutí snižuje indukční a indukční odpor vinutí kotvy a také zvyšuje účiník motoru. Díky přídavným pólům se zlepšuje kvalita spínání. Rotační EMF kompenzuje jalový a transformátorový EMF. Snadnosti startování je dosaženo vzájemnou kompenzací EMF. Změna provozního režimu a odchylka aktuálních parametrů od zadaných hodnot vede k obtížnému startování jednotky.

Jednofázové motory jsou považovány za univerzální zařízení, protože je lze připojit k sítím stejnosměrného i střídavého proudu. Používají se jako pohony v automatizačních systémech, domácích spotřebičích a elektrickém nářadí. Nejběžnější jsou modely s nízkým výkonem (do 150W).

Třífázové komutátorové motory

Tyto jednotky jsou připojeny do třífázové sítě. Jejich budicí vinutí má vlastnosti bočníkového motoru. Rotor motoru dodává energii do mechanismu. Hlavní provozní funkci plní rotorové vinutí připojené k síti střídavého napětí pomocí sběracích kroužků proudu. Statorové vinutí, umístěné ve štěrbinách rotoru spolu s hlavním vinutím, je ve všech fázích připojeno ke komutátoru motoru. Každá fáze odpovídá určitým kartáčům, které se od sebe pohybují a pohybují pomocí pohyblivých traverz.

Pro provoz mechanismu v režimu asynchronního motoru jsou kartáče instalovány na stejných deskách komutátoru. Na rozdíl od asynchronní jednotky však v komutátorovém motoru hraje roli primárního vinutí rotorové vinutí a roli sekundárního vinutí statorové vinutí. EMF v mechanismu vzniká oddálením kartáčů. EMF způsobuje proud ve statoru, který vytváří a určuje rotační moment mechanismu.

Pro regulaci otáček se do kolektorového okruhu přivádí chybějící výkon. Pomocí transformátorového spojení mezi vinutími se výkon statoru vrací do elektrické sítě a vytváří efekt, který umožňuje regulovat počet otáček hřídele v ekonomickém režimu. Když se kartáče vzdálí o určitou vzdálenost, rychlost rotace se odpovídajícím způsobem zvýší nebo sníží.

Pokud jsou kartáče, odpovídající jejich fázím, posunuty, emf se mění ve fázi. To umožňuje regulovat cosφ. Jeho kvalita se zvyšuje, když je hodnota otáček menší než synchronní a kartáče jsou posunuty ve směru opačném ke směru pohybu rotoru.

Elektromotory pracující z třífázové sítě se nejčastěji používají v polygrafii (na rotačních strojích), textilním a lehkém průmyslu (na spřádacích strojích) a hutnictví (na kovoobráběcích strojích).

Hlavní nevýhodou třífázových jednotek jsou špatné spínací podmínky. To způsobuje potíže při získávání EMF transformátoru, protože zvýšený výkon vede ke zvýšenému magnetickému toku. Proto je ve vzácných případech pro zvýšení EMF a ekonomickou regulaci počtu otáček hřídele do obvodu zaveden asynchronní elektromotor.

Princip činnosti bezkartáčového stejnosměrného motoru (BLDC) je znám již dlouhou dobu a bezkartáčové motory vždy představovaly zajímavou alternativu k tradičním řešením. Navzdory tomu tyto elektrické stroje našly široké uplatnění v technice až v 21. století. Rozhodujícím faktorem pro široké zavedení bylo mnohonásobné snížení nákladů na řídicí elektroniku pohonu BLDC.

Problémy s komutátorovými motory

V zásadě je úkolem jakéhokoli elektromotoru přeměňovat elektrickou energii na mechanickou energii. Konstrukce elektrických strojů je založena na dvou hlavních fyzikálních jevech:

1. Elektrické a magnetické pole jsou vzájemně propojená. To znamená, že každý pohybující se náboj vytváří magnetické pole a magnetická pole jsou proto schopna vytvářet potenciálový rozdíl.
2. Magnety vzájemně interagují. Činnost všech elektromotorů je založena na interakci magnetů. Některé z nich jsou permanentní, jiné představují cívku, ve které je magnetické pole indukováno průchodem elektrického proudu závity.

Motor je navržen tak, aby magnetická pole vytvořená na každém z magnetů neustále vzájemně interagovala a způsobovala otáčení rotoru. Tradiční stejnosměrný motor se skládá ze čtyř hlavních částí:

• stator (nepohyblivý prvek s prstencem magnetů);
• kotva (rotující prvek s vinutími);
• uhlíkové kartáče;
• kolektor.

Tato konstrukce zahrnuje rotaci kotvy a kolektoru na jedné hřídeli vzhledem ke stacionárním kartáčům. Proud teče ze zdroje přes kartáče, které jsou pro dobrý kontakt pružně předepnuty, do komutátoru, který rozděluje elektřinu mezi vinutí kotvy. Magnetické pole indukované v komutátoru interaguje s magnety statoru, což způsobuje rotaci statoru.

Hlavní nevýhodou tradičního motoru je, že mechanický kontakt kartáčů nelze zajistit bez tření. S rostoucí rychlostí se problém stává výraznějším. Kolektor se časem opotřebovává a je také náchylný k jiskření a je schopen ionizovat okolní vzduch. Navzdory jednoduchosti a nízkým výrobním nákladům tedy Takové elektromotory mají některé nepřekonatelné nevýhody:

• opotřebení kartáčů;
• elektrické rušení v důsledku jiskření;
• maximální rychlostní limity;
• potíže s chlazením rotujícího elektromagnetu.

Příchod procesorové technologie a výkonových tranzistorů umožnil konstruktérům opustit mechanickou spínací jednotku a změnit roli rotoru a statoru v stejnosměrném elektromotoru.

Princip fungování BDKP

V bezkartáčovém elektromotoru, na rozdíl od jeho předchůdce, roli mechanického komutátoru plní elektronický měnič. To je možné díky obvodu BDKP „naruby“ – jeho vinutí jsou umístěna na statoru, což eliminuje potřebu kolektoru.

Jinými slovy, hlavní zásadní rozdíl mezi klasickým motorem a BDKP spočívá v tom, že místo stacionárních magnetů a rotujících cívek se BDKP skládá ze stacionárních vinutí a rotujících magnetů. Přestože samotná komutace probíhá podobným způsobem, její fyzická implementace v bezkartáčových pohonech je mnohem složitější.

Hlavním problémem je přesné řízení bezkartáčového motoru, které zahrnuje správnou posloupnost a frekvenci spínání jednotlivých sekcí vinutí. Tento úkol lze konstruktivně vyřešit pouze tehdy, pokud lze kontinuálně určovat aktuální polohu rotoru.

Potřebná data pro zpracování elektronikou se získávají dvěma způsoby:

• detekce absolutní polohy hřídele;
• měřením napětí indukovaného ve vinutí statoru.

Pro realizaci řízení první metodou se nejčastěji používají buď optické páry, nebo Hallovy senzory upevněné na statoru, které reagují na magnetický tok rotoru. Hlavní výhodou takových systémů pro sběr informací o poloze hřídele je jejich provozuschopnost i při velmi nízkých otáčkách a v klidu.

Bezsnímačové řízení pro vyhodnocení napětí v cívkách vyžaduje alespoň minimální otáčky rotoru. Proto takové konstrukce poskytují režim spouštění motoru do otáček, při kterých lze vyhodnotit napětí na vinutích a testovat klidový stav analýzou vlivu magnetického pole na testovací proudové impulsy procházející cívkami.

Navzdory všem uvedeným konstrukčním obtížím si bezkartáčové motory získávají stále větší popularitu díky svému výkonu a souboru vlastností, které nejsou pro sběratelské motory k dispozici. Stručný seznam hlavních výhod BDKP oproti klasickým vypadá takto:

• absence mechanických ztrát energie v důsledku tření kartáčů;
• poměrně tichý provoz;
• snadné zrychlení a zpomalení otáčení díky nízké setrvačnosti rotoru;
• přesné řízení rotace;
• možnost organizace chlazení díky tepelné vodivosti;
• schopnost pracovat při vysokých rychlostech;
• trvanlivost a spolehlivost.

Moderní aplikace a perspektivy

Existuje mnoho zařízení, u kterých je zvýšení provozuschopnosti nanejvýš důležité. U takových zařízení je použití BDKP vždy opodstatněné, a to i přes jejich relativně vysokou cenu. Může se jednat o vodní a palivová čerpadla, turbíny klimatizace a chlazení motoru atd. Bezkartáčové motory se používají v mnoha modelech elektrických vozidel. V současné době automobilový průmysl věnuje bezkartáčovým motorům vážnou pozornost.

BDKP jsou ideální pro malé pohony pracující v obtížných podmínkách nebo s vysokou přesností: podavače a pásové dopravníky, průmyslové roboty, polohovací systémy. Existují oblasti, ve kterých bezkartáčové motory dominují bez alternativy: pevné disky, čerpadla, tiché ventilátory, malé domácí spotřebiče, CD/DVD mechaniky. Nízká hmotnost a vysoký výstupní výkon učinily z BDKP také základ pro výrobu moderního akumulátorového ručního nářadí.

Dá se říci, že v oblasti elektrických pohonů dochází v současné době k významnému pokroku. Pokračující pokles cen digitální elektroniky vedl k trendu k širokému používání bezkartáčových motorů namísto tradičních.