Co znamená bezkomutátorový motor?

Bezkomutátorový stejnosměrný motor není nejstarším produktem, je vyvinut na bázi kartáčovaného motoru a jeho struktura je složitější než kartáčovaný motor.

Bezkomutátorový stejnosměrný motor se skládá z rámu motoru a pohonu. Liší se od kartáčovaného stejnosměrného motoru. Bezkomutátorový stejnosměrný motor nepoužívá mechanické kartáčové zařízení, ale používá samořízený synchronní motor s obdélníkovým magnetem a místo uhlíku používá Hallovy senzory. Kartáčový komutátor používá jako materiál rotoru permanentní magnet NdFeB.

Ještě v minulém století, kdy se zrodil elektromotor, se však vyráběly praktické elektromotory v bezkomutátorové podobě.

1740. léta XNUMX. století: Začíná vynález elektromotoru.

Rané modely elektrických aut se poprvé objevily ve 1740. letech XNUMX. století díky práci skotského benediktinského mnicha a vědce Andrewa Gordona. Jiní vědci, jako Michael Faraday a Joseph Henry, pokračovali ve vývoji dřívějších elektrických strojů experimentováním s elektromagnetickými poli a objevováním způsobů, jak přeměnit elektrickou energii na mechanickou energii.

1832: Vynález prvního komutovaného stejnosměrného motoru.

V roce 1832 vynalezl britský fyzik William Sturgeon první motor na stejnosměrný proud, který mohl poskytnout dostatečný výkon pro pohon strojů, ale jeho použití bylo značně omezeno kvůli nízkému výstupnímu výkonu.

1834: Výroba prvního skutečného elektromotoru.

Thomas Davenport z Vermontu se ve stopách Sturgeona zapsal do historie, když v roce 1834 vynalezl první oficiální elektromotor na baterie. Byl to první elektromotor s dostatečným výkonem k provedení tohoto úkolu a jeho vynález byl použit k pohonu malého tiskového stroje. .

V roce 1837 obdrželi Thomas Davenport a jeho manželka Emily Davenportová první patent na stejnosměrný motor.

Ale jejich konstrukce motoru stále trpí stejnými problémy s výkonem a účinností jako William Sturgeon. A bohužel kvůli vysokým nákladům na baterii Thomas zkrachoval a auto se nikdy neprodalo.

1886: Vynález praktického stejnosměrného motoru.

V roce 1886 byl představen první praktický stejnosměrný motor, který mohl pracovat při konstantní rychlosti s proměnnou hmotností. Frank Julian Sprague byl jeho vynálezcem a byl to právě tento motor, který sloužil jako katalyzátor pro široké použití motorů v průmyslu.

Stojí za zmínku, že tento praktický motor je bezkomutátorové formy, a to střídavý indukční motor s klecovou klecí, který nejen eliminuje jiskry a ztráty napětí na vinutí, ale může také poskytovat energii při konstantní rychlosti. Asynchronní motory však mají mnoho nepřekonatelných nevýhod, takže vývoj motorové techniky je pomalý.

Brzy po zrodu bezkomutátorového motoru lidé vynalezli kartáčovaný stejnosměrný motor. Díky své jednoduché konstrukci, snadné výrobě a zpracování, pohodlné údržbě a snadnému ovládání se kartáčovaný stejnosměrný motor stal hlavním proudem, jakmile se objevil.

1887: Střídavý indukční motor je patentován.

V roce 1887 Nikola Tesla vynalezl indukční motor na střídavý proud a o rok později jej úspěšně patentoval. Nebyl vhodný pro silniční vozidla, ale byl později upraven inženýry Westinghouse. V roce 1892 byl vyvinut první praktický indukční motor, následovaný tyčovým dopřádacím rotorem, díky čemuž je motor vhodný pro použití v automobilech.

1891: Vývoj třífázového motoru

V roce 1891 začala společnost General Electric vyvíjet třífázové indukční motory. Aby bylo možné využít konstrukci vinutého rotoru, podepsaly GE a Westinghouse v roce 1896 křížovou licenční smlouvu.

1955: Začíná éra bezkomutátorových stejnosměrných motorů.

V roce 1955 Spojené státy d. Harrison et al podali první patent na nahrazení mechanických kartáčů kartáčovaných stejnosměrných motorů tranzistorovými spínacími obvody, čímž oficiálně označili zrod moderního bezkomutátorového stejnosměrného motoru. V té době však neexistovalo zařízení pro zjišťování polohy rotoru motoru a motor neměl žádnou startovací schopnost.

1962: Vynález prvního bezkomutátorového motoru na stejnosměrný proud (BLDC).

S pokroky v polovodičové technologii na počátku 1960. let 1962. století vynalezli v roce XNUMX T. G. Wilson a P. H. Trickey první bezkomutátorový motor na stejnosměrný proud (BLDC), který nazvali „solid-state komutovaný stejnosměrný motor“. Klíčovým prvkem bezkomutátorového motoru je, že nevyžaduje fyzický spínač, což z něj činí nejoblíbenější volbu pro počítačové pohony, roboty a letadla.

Použili Hallovy prvky ke snímání polohy rotoru a řízení komutace proudu vinutí, díky čemuž byl bezkomutátorový stejnosměrný motor praktický, ale omezený kapacitou tranzistoru, výkon motoru byl relativně malý.

1970. léta do současnosti: Rychlý vývoj bezkomutátorových stejnosměrných motorů.

Od 1970. let XNUMX. století, s příchodem nových výkonových polovodičových součástek (jako jsou GTR, MOSFET, IGBT, IPM), rychlý rozvoj technologií řízení počítačů (MCU, DSP, nová teorie řízení) a rychlý rozvoj vysoce výkonných vzácných zemin materiály s permanentními magnety (jako je samarium) S příchodem kobaltu, NdFeB, se bezkomutátorový stejnosměrný motor rychle vyvíjel a jeho výkon stále rostl.

Poté, s uvedením klasického bezkomutátorového stejnosměrného motoru Mac a jeho ovladače v roce 1978 a s vývojem čtvercového bezkomutátorového stejnosměrného motoru a sinusového bezkomutátorového stejnosměrného motoru v 1980. letech, začal bezkomutátorový motor skutečně vstupovat do praktické fáze a rychle se vyvíjela. .

Za posledních pět let se na trhu s elektrifikovaným ručním nářadím neustále prosazují modely s bezkomutátorovým elektromotorem. To se děje zvláště aktivně ve vztahu ke šroubovákům. Výrobci popisují jejich výkon v extrémních superlativech. V tomto článku se pokusíme objektivně pochopit, který šroubovák je lepší – kartáčovaný nebo bezkartáčový.

Jak funguje motor kartáče?

Aku šroubováky používají jako pohon stejnosměrný motor. Klasická konstrukce tohoto elektrického stroje obsahuje tzv. komutátor na hřídeli rotoru, jeho jediné rotační části. Kolektor je sada měděných desek rovnoměrně rozmístěných na povrchu dielektrického válce namontovaného na hřídeli rotoru. K nim jsou připájeny vývody vinutí rotoru vytvořené na kovovém jádru.

Ve skutečnosti se jedná o svorky, na které je přiváděno napájecí napětí. Obtížnost takové komutace spočívá v tom, že se rotor otáčí a kontakt může být pouze posuvný. Když byl stejnosměrný motor vynalezen, byl poháněn sadou měděných drátů uspořádaných do svazku, proto se tomuto prvku říkalo kartáče. Následně byly nahrazeny blokem elektrického grafitu, který zajistil těsnější uchycení kolektorových desek a umožnil přenos elektrické energie do vinutí rotoru s menšími ztrátami. Jméno však zůstalo.

Nevýhodou takto velmi jednoduchého a efektního konstrukčního řešení bylo, že jím vytvořený kontakt měl nejen vysokou elektrickou, ale i mechanickou odolnost. Přeskakování z talíře na talíř, kartáče jiskří a opotřebovávají se. Část energie baterie se vyplýtvá. A elektrický stroj potřebuje čas od času provést údržbu a vyměnit kartáče. Tento stav však byl tolerován téměř po celé 20. století, protože ke sběrateli neexistovala žádná alternativa.

Jak funguje bezkomutátorový motor?

Bezkomutátorový motor je možný díky stejnému efektu elektromagnetické indukce, který je základem principu činnosti jakéhokoli elektrického stroje. Faktem je, že pokud se kovový předmět pohybuje v magnetickém poli, bude jím protékat elektrický proud. Jen chvíli trvalo, než se lidská myšlenka spojila s druhou a uvedla ji do praxe.

Přístroje, které zaznamenávají magnetické pole – magnetometry – se objevily ve dvacátých letech minulého století. A jako obvykle byly nejprve použity jako prvky zbraní. Například do pojistek nainstalujte miny na mořské dno.

Potřeba bezúdržbových stejnosměrných motorů vznikla s nástupem výpočetní techniky. Faktem je, že mnoho prvků okruhu vyžaduje chlazení, a toho bylo možné dosáhnout pouze pomocí ventilátorů.

Za tímto účelem byl vytvořen elektrický stroj, nazývaný brushless nebo brushless. Z toho důvodu, že změna znaménka magnetického pole byla provedena jiným způsobem, bezkontaktně. Je zajímavé, že výsledné zařízení je obdobou tradičního stejnosměrného motoru, ale jakoby obráceného naruby. Vypadá to takto:

1. Rotační část, rotor, je umístěna venku.
2. Pevná část, stator, je instalována uvnitř.

Konstrukčně je rotor válec, na jehož vnitřním povrchu jsou upevněny permanentní magnety a jejich polarita se střídá. K instalaci pracovních částí (lopatek) se používá vnější strana válce, jako je tomu u počítačových ventilátorů. Nebo tyč připevněná ke koncové stěně zevnitř – toto schéma se používá k instalaci vřeten šroubováků.

Stator je soubor několika vinutí vytvořených na kovových jádrech. Je instalován uvnitř rotoru, jehož osa jím prochází.

Samotný princip činnosti bezkomutátorového elektromotoru se neliší od modelů s napájením z kartáčů přes komutátor. Je založen na efektu, že opačné póly magnetů se přitahují a podobné póly se odpuzují.

U komutátorového motoru dochází při otáčení rotoru ke změně polarity, v důsledku čehož jsou ostatní konce jeho vinutí připojeny ke stacionárním kartáčům. A v bezkomutátorovém provedení tento proces provádějí magnetometry, které reagují na průchod permanentních magnetů rotoru kolem nich.

V současnosti se jako taková zařízení nejvíce používají tzv. Hallovy senzory, i když existuje i jiné schéma. Spočívá v tom, že vstup statorového vinutí do magnetického pole rotoru je doprovázen změnou směru jím procházejícího proudu – tzv. back-EMF. Tento efekt je detekován a využíván elektronickým řídicím obvodem.

Za zmínku také stojí, že u tradičních stejnosměrných elektrických strojů je magnetické pole rotoru odpuzováno od stacionárního pole statoru. Ale u bezkomutátorových elektromotorů se vše děje naopak – stacionární magnetické pole rotoru je taženo točivým polem statoru.

Faktory, které určují výhody bezkomutátorového motoru

Stejnosměrný elektrický stroj, ve kterém není žádná komutátorová sestava, má oproti tradiční konstrukci kartáčů řadu výhod. Jsou určeny následujícími faktory:

• Výrazně snížené nebo dokonce zcela chybějící mechanické opotřebení.
• Schopnost regulovat rychlost otáčení bez ztráty výkonu.
• Skvělý točivý moment.
• Zvýšená účinnost.
• Možnost úpravy parametrů nástroje za provozu.
• Menší rozměry a hmotnost.

Kolektorová jednotka s kluznými kontakty má při provozu vysokou mechanickou odolnost. Protože jeho kovové lamely, oddělené dielektrikem, mají reliéf a jsou pevnější než uhlíkové kartáče, což vede k jejich opotřebení a nutnosti periodické výměny.

1. Otáčky rotoru stejnosměrného motoru lze regulovat dvěma způsoby: Zvyšte nebo snižte napájecí napětí.
2. Změňte nahoru nebo dolů dobu, po kterou je polarita magnetického pole konstantní.

První je implementován v komutátorových motorech. To však vede ke ztrátě výkonu. A proto je rozsah regulace malý.

U bezkomutátorových elektromotorů jsou vinutí rotoru napájena regulátorem, který generuje pravoúhlé impulsy různých polarit. Jejich trvání lze změnit, přičemž jmenovité napětí zůstane nezměněno. Čím častěji pulsy následují a čím jsou kratší, tím vyšší je frekvence změn polarity statorových vinutí a tím i rychlost otáčení rotoru.

Většího točivého momentu (až o 30 %) je dosaženo díky konstrukci vinutí statoru a také geometrickým rozměrům rotoru. V komutátorovém motoru je pouze jedno pracovní vinutí, zbytek je neaktivní až do sepnutí. V bezkartáčovém stroji jsou tři a jsou kombinovány ve vzoru hvězda (obvykle) nebo trojúhelník. Proto je generované točivé magnetické pole stabilnější. To lze ilustrovat na příkladu střídavých asynchronních motorů. Pro spuštění jednofázových motorů je zapotřebí přídavné vinutí nebo zařízení, které posouvá fáze o 900. A u třífázových elektromotorů začíná rotace bez dalších triků.

Vně umístěný rotor má větší průměr, a proto má zvýšený kroutící moment. Koneckonců, hodnota tohoto parametru závisí na geometrických rozměrech a hmotnosti rotačního tělesa.

Kluzné kontakty jiskří při sepnutí a otevření. To způsobuje zbytečnou ztrátu energie baterie. Proto účinnost tradičních kolektorových strojů nepřesahuje 80 %. A bezkomutátorové elektromotory mají téměř 95 %.

Regulátory dodávající napětí do cívek statoru se snadno ovládají. Elektronika umí například regulovat otáčky a udržovat je bez ohledu na zatížení. Sleduje také rovnoměrnou spotřebu energie baterie. Díky tomu se nástroj stává spíše propojeným komplexem než rozpojenou sadou prvků. Zvyšuje se jeho výkon a spolehlivost.

Absence sběrné jednotky snižuje geometrické rozměry stroje a jeho hmotnost. S lehkým a kompaktním nástrojem se mnohem snadněji pracuje.

Existují nějaké nevýhody bezkartáčových šroubováků? Ano, jsou k dispozici. Například kinematické schéma jejich elektromotoru poskytuje ne dvě, ale jedno nosné ložisko pro hřídel vřetena, díky čemuž je náchylnější k rázům a vibracím.

Elektronický řídicí obvod je složitý a rozmarný. I když tato nevýhoda je nyní téměř zcela odstraněna. I v nejlevnějších čínských modelech je plně funkční a nedělá majitelům potíže po celou dobu životnosti nářadí.

Hlavní nevýhodou bezkartáčových nástrojů je cena. Jsou mnohem dražší než tradiční nástroje, stejně jako případné náhradní díly nebo komponenty k nim.

Závěr. Kterému tedy dát přednost?

Pokud pracujete doma, pravidelně a z rozmaru, pak odpověď na otázku: „co je lepší – kartáčovaný nebo bezkartáčový šroubovák“ – leží v rovině osobních preferencí. S největší pravděpodobností si nevšimnete rozdílu mezi jedním a druhým. Pro profesionály je to mnohem relevantnější. Bezuhlíkové nářadí je tak efektivní, že se náklady na jeho pořízení a údržbu poměrně rychle vrátí.

Tvrdá konkurence donutí výrobce nakonec snížit cenu svých produktů. Bezkomutátorové šroubováky se přitom neustále zdokonalují, díky čemuž je účinnost akumulátorového nářadí srovnatelná se síťovým. Pravděpodobně přijde doba, kdy tradiční sběratel nahradí úplně.