BLDC aneb DC motor s nulovými náklady na údržbu

Ing. Josef Šimon, Atas elektromotory, Náchod, a. s.

BLDC není neznámý pojem. Je to zkrácené označení stejnosměrných motorů s elektronickou komutací z anglického termínu BrushLess DC Motor. Používá se i označení BL motor nebo ECM motor, pocházející z Electronically Commutated Motor, nebo jen EC motor (obr. 1). Terminologie není sjednocena. Vývoj je výrazně rychlejší než reakce školních učebnic.

V minulosti byly stejnosměrné pohony výhradně doménou komutátorových elektromotorů, ať už derivačních, sériových nebo s permanentními magnety. Komutátorový elektromotor je velmi spolehlivý elektrický stroj, který byl postupným zdokonalováním přiveden k vysokým užitným hodnotám. Nutnou podmínkou pro bezchybnou činnost komutátorového stroje je precizní proces komutace, změny směru proudu komutující cívky, která probíhá na kluzném kontaktu mezi kartáčem a komutátorem (obr. 2). Odborná literatura informuje, že problém kluzného kontaktu je vyřešen. Ano, ale pouze za určitých podmínek, splnitelných především u velkých strojů. U malých strojů v různých režimech provozu, s požadavkem na dlouhou životnost a s vyloučením pravidelné údržby je kluzný kontakt stále problém. Podmínka bezúdržbového provozu je pro komutátorové stroje v podstatě nesplnitelná.

Problematika uvedené komutace je u moderních BLDC strojů řešena tzv. elektronickou komutací. Nejde zde o řešení klasické komutace elektronickými systémy, ale nedílnou součástí BLDC motoru je elektronická jednotka, nejlépe integrovaná do konstrukce motoru, která řídí napájení jednotlivých vinutí statoru.

Činnost elektronického systému lze sice nazvat elektronickou komutací, ale s provozem kluzného kontaktu zde není žádná spojitost. Uspořádání pevných a rotujících částí BLDC motoru je vzhledem ke komutátorovému motoru obrácené. U tradičního komutátorového stroje (obr. 3) je budicí část (elektromagnetické buzení nebo permanentní magnety) pevná, (stator), rotuje vinutí napájené přes kartáče a komutátor (rotor).

Motor BLDC má pevné vinutí statoru a rotuje budič, obvykle osazený permanentními magnety.

Elektronická jednotka motoru přepíná jednotlivá vinutí statoru (nahrazuje mechanický komutátor) v závislosti na požadovaných vlastnostech motoru. Informace od zpětné vazby se zpracuje v mikroprocesoru, kde se následně vygenerují data pro spínání výkonových FET tranzistorů. U malých strojů se nejčastěji používají Hallovy sondy, indikující úhlové natočení rotoru (obr. 4). V některých jednodušších případech lze Hallovy sondy nahradit činností elektronického systému. Určení polohy hřídele pomocí enkodéru nebo rezolveru je pro malé stroje drahé. Vzhledem ke skutečnosti, že BLDC motor obsahuje elektronickou jednotku s výkonným mikroprocesorem, nevyžaduje řešení regulace otáček přídavná zařízení, a tudíž téměř nezvyšuje cenu motoru. Elektronická jednotka řízená mikroprocesorem umožňuje kromě regulace otáček také ochranu proti přehřátí, přetížení a přepólování.

Nová řada BLDC motorů společnosti Atas elektromotory Náchod pod označením G43V… představuje špičkové výrobky v oboru. Rotor je osazen magnety na bázi vzácných zemin. Statorové třífázové vinutí napájí elektronická jednotka vestavěná přímo do prostoru kostry motoru (obr. 5). Problémy s EMC jsou vyřešeny právě integrací elektronické jednotky uvnitř kostry motoru (obr. 6).

Regulovat otáčky je možné prostým vyvedením potenciometru nebo stejnosměrným napětím 0 až 10 V. Činnost elektronické jednotky vyžaduje informaci o úhlové poloze hřídele. Tu indikují Hallovy sondy ve statoru. Motor má vlastní vestavěné ochrany proti přetížení, přepětí, nadproudu, přepólování.
Základní typ (obr. 7) má standardní parametry napájecího napětí 24 V DC, výkon 600 W, otáčky 3 600 min–1. Konstrukční provedení je patkopřírubové. V pracovní oblasti neklesá účinnost pod 80 %, momentově je přetížitelný o 100 %. Jeho životnost není omezena komponenty kluzného kontaktu, podle zkušeností je životnost ložisek nejméně 20 000 h. Minimální krytí je IP44.

BLDC motory jsou využitelné všude tam, kde je napájecí napětí stejnosměrné. Jsou to např. akumulátorové přepravní a zvedací vozíky v průmyslu, zemědělská mobilní technika, akumulátorové nářadí, dopravní prostředky všech druhů, manipulační a pohonné agregáty v trakci, armádní a letecké pohonné systémy a mnoho dalších. Spousta příležitostí na využití motorů BLDC teprve čeká. Jejich užitné vlastnosti nejsou ještě široké veřejnosti všeobecně známy. V největší míře se již prosazují v modelářské technice a dopravních prostředcích. Motory BLDC mají velmi dobrou účinnost především ve srovnání s indukčními motory. Společnost Atas elektromotory Náchod, a. s., ve spolupráci se společností Tesla Blatná, a. s., připravuje nejen nové varianty BLDC motorů, ale i odvozených modifikací s úpravou elektronické jednotky pro napájení střídavým proudem.

Představitel nové řady elektromotorů BLDC G43V… bude prezentován na veletrhu MSV Brno 2011, pavilon Z, stánek číslo 079 v termínu 3. až 7. října 2011 a na veletrhu SPS/ICP/DRIVES Norimberk v termínu 22. až 24. listopadu 2011.
http://www.atas.cz

Obr. 1. Moderní bezkomutátorový motor BLDC
Obr. 2. Kluzný kontakt v komutátorovém motoru: kartáč-komutátor
Obr. 3. Principiální uspořádání stejnosměrného komutátorového motoru
Obr. 4. Principiální uspořádání BLDC motoru
Obr. 5. Elektronická jednotka BLDC motoru
Obr. 6. Integrace elektronické jednotky do motoru BLDC
Obr. 7. Představitel motorů řady G43V ve 3D modelu