Microsoft Word - Bakalarka finalni verzekomutovaných motor. Popisuje konstrukci motoru, srovnání s dalšími typy motor, ízení
proud ve statoru, rovnice popisující chování motoru, vyuití v prmyslu a seznam
výrobc s nkterými katalogovými výrobky.
Abstract
This thesis deals with electrical and mechanical parametrs of electronical comutated
motors. It describes construction of motor, comparing with another types of motors,
controlling of curent in stator, equations describing behavior of motor, using in industry
and an inventory of producers with some catalogue’s products.
Podkování
Na tomto míst bych chtl podkovat Ing. Vladimíru Hubíkovi za pomoc pi
vypracování této práce.
estné prohlášení estn prohlašuji, e bakaláskou práci na téma Elektrické a mechanické vlastnosti EC motor jsem vypracoval samostatn pod vedením svého vedoucího bakaláské práce s pouitím odborné literatury, kterou jsem citoval v seznamu pouité literatury. V Brn dne…………………… ….…………………………..
Martin PLEVA
2.1.1. Asynchronní motory ................................................................................ 12
2.1.2. Synchronní motory .................................................................................. 13
2.2.1. DC motory ............................................................................................... 14
3.1. Historie ........................................................................................................ 16
3.2.1. Diskové versus válcové motory .............................................................. 18
3.2.2. Výkonové rozdlení EC motor .............................................................. 20
3.2.3. Stator ....................................................................................................... 21
3.2.4. Rotor ........................................................................................................ 23
3.2.5. Ztráty ....................................................................................................... 23
4.1. AC pohony .................................................................................................. 24
4.1.1. Asynchronní pohony ............................................................................... 24
5.1. Hallovy sondy ............................................................................................. 27
5.3. Resolver ....................................................................................................... 29
6.1. Pohybové rovnice pro obecný motor ........................................................ 30
6.2. Elektrické a mechanické rovnice .............................................................. 31
7. PEHLED VYRÁBNÝCH EC MOTOR NA TRHU ......................... 34
7.1. Maxon motor AG ....................................................................................... 34
7.1.1. Válcové motory Maxon motor AG ......................................................... 34
7.1.2. Diskové motory Maxon motor AG ......................................................... 37
7.2. Dunkermotoren .......................................................................................... 37
8. ZÁVR ................................................................................................ 39
Pouité symboly
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
- 11 -
1. ÚVOD
Lidstvo u od pradávných dob hledalo zpsoby, jak zjednodušit leckteré úkony. Ji
v dobách pravkých si Homo Habilis zaal ulehovat práci výrobou primitivních nástroj
z kamene. Doba ale pokroila. Dnes naši planetu obývá více jak 6 miliard Homo Sapiens
Sapiens, co je lovk moudrý. Jak u ze slova moudrý plyne, tento tvor byl stvoen
k tomu, aby vynalézal nejrznjší nástroje a pístroje, potebné ke svým innostem a
rozvoji civilizací. U ze starovkého ecka se dozvídáme o jednoduchých mechanických
vynálezech a formulacích zákon platných dodnes.
Nejvtší rozvoj vdy a techniky, pesnji elektrotechniky, pišel v 19. století
s nástupem elektrické energie. Za rozvoj této, v dnešní dob nepostradatelné, energie asi
nejvíce vdíme americkému vynálezci a prkopníkovi Thomasi Alva Edisonovi, který
vymyslel a zkonstruoval mnoho vynález a zapoal distribuci této energie do všech kout
svta. Ml bych se také zmínit o dalších vdcích a objevitelích jako jsou Georg Simon
Ohm, který jako první v roce 1826 formuloval zákon o závislosti el. proudu, naptí a
odporu, dnes nazývaný Ohmv zákon. Peter Barlow v roce 1828 vynalezl první elektrický
motor. Michael Faraday objevil v roce 1831 elektromagnetickou indukci a dal tak základ
„teorii o elektromagnetické indukci“. Heinrich Lenz v roce 1833 formuloval zákon o
smru indukovaného proudu, kterým se ídí smr otáení rotoru v elektrickém motoru. A
také mnoho dalších vdc jako jsou napíklad J.P. Joule (pemna elektrické energie na
tepelnou), J.C. Maxwell, W. Siemens, N. Tesla nebo z eských vynálezc František Kiík.
Všichni tito vdci a spousta dalších pispli svým dílem k novodobým objevm a
nástrojm pro vyuití elektrické energie.
Z velkých moností vyuití elektrické energie se zamím na elektrickou energii
pevedenou v energii mechanickou, která se vyuívá jako pohony v nejrznjších
odvtvích hospodáství. Dále se zamím na motory a to motory malé, tedy mikromotory,
ze kterých si vyberu zvláštní pípad, elektricky komutované motory.
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 12 -
2. SVT MOTOR
Z asopisu Industrial Engineering News: „Podle rozboru z konce roku 1999 malé
motory tvoí 83% všech motor v prmyslu. Na jeden výkonný elektromotor ve stroji
pipadají 3 a 4 malé motory“. (citováno z [6]).
Souasn však chybí informovanost široké veejnosti o tchto malých (mikro)
motorech. Pokusím se tedy piblíit základní vlastnosti mikromotor, a jak u téma
napovídá, hlavn bude e o EC motorech, které patí do skupiny stejnosmrných,
synchronn se otáejících mikromotor a jsou odvozené ze stejnosmrných (DC) motor.
V této kapitole se budu vnovat rozdlení všech typ motor do skupin, z hlediska
napájení, výkon a vyuití, abychom se dobrali podstaty mikromotor, DC, zvlášt EC
motor.
2.1. Motory stídavé (AC motory)
Stídavé motory jsou vyuívány k pohonm vtších a velkých stroj, jako jsou
napíklad ventilátory, okruní pily nebo pohony lodí. Musíme ale zohlednit výkonové
tídy, rostou ádov od stovek Watt a po nkolik set megawatt. Stídavý motor
zapojený tak, aby dodával elektrickou energii do sít se nazývá generátor, v pípad
synchronního generátoru - alternátor. Jen pro pedstavu, jedny z nejvýkonnjších
generátor v souasné dob u nás, se nacházejí ve vodní peerpávací elektrárn Dlouhé
Strán. Jsou zde umístny dva o celkovém výkonu 650 MW.
Tyto motory se dále dlí na ASYNCHRONNÍ a SYNCHRONNÍ:
2.1.1. Asynchronní motory
Tyto stroje fungují na principu existence toivého magnetického pole. Toto pole
vzniká pi zapojení tí cívek do kruhu, kadá pod úhlem 120°, a jsou napájeny tífázovým
naptím. Kadá ze tí cívek tohoto zapojení vytváí magnetické pole, jeho sloením
vzniká pole toivé. Toivé pole psobí na vodie (vinutí) v rotoru. Podle Lenzova zákona
se indukují proudy a rotor se roztáí ve smru psobení elektromagnetické síly, vyvolané
tímto polem. Musí však být zabezpeeno natoení magnetických polí, jinak by se rotor
zastavil.
Asynchronní motor disponuje, oproti synchronnímu, jinou skladbou rotoru. Rotor
asynchronního motoru je tvoen vinutím na koncích spojených do krátka. Ve stojícím
motoru magnetické pole statoru indukuje v kotv elektrické proudy, které vytváí
magnetické pole v rotoru. Ob pole pak navzájem interagují a vznikne tak
elektromotorická síla, která toí rotorem. Otáky rotoru vzrstají a do chvíle, ne by
motor mohl dosáhnout synchronních otáek. Motor ale nikdy nedosáhne synchronních
otáek, pokud je alespo minimáln zatíen na rotoru, proto je nazýván asynchronní.
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 13 -
obrázek . 1 – uspoádání cívek v toivém stroji U1/2, V1/2, W1/2 – oznaení cívek, 1/2 = vstup/výstup
Asynchronní motory jsou nejrozšíenjší mezi pohony stedn tkých a tkých
stroj. Jsou toti levné, jednoduché na výrobu, provozn spolehlivé a vyadují malou
údrbu. Uívají se pro pohony nejrznjších erpadel, kompresor, ventilátor, jeáb,
pásových dopravník, výtah atd.
2.1.2. Synchronní motory
Podstata vzniku toivého magnetického pole je obdobná jako u asynchronních
stroj.
Oproti asynchronním motorm se, jak u z názvu vyplívá, toí synchronními
otákami. Moment klesá s napájecím naptím lineárn oproti asynchronnímu, kde klesá
moment s druhou mocninou napájecího naptí.
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 14 -
Vyuití je znané, vtšinou bývají pouity tam, kde není nutné asté spouštní,
napíklad v rzných vypalovacích pecích. Mohou být vyuity i jako motory (stroj
s vyniklými póly, který nemá konstantní vzduchovou mezeru), tak i jako generátory (ty
mají hladký rotor a konstantní vzduchovou mezeru). S rozvojem automatizace a
regulovaných obvod se dají vyuít i pi polohových synchronizovaných pohybech
soustavy s nutností pesnosti nap. v tiskárnách, textilních, chemických prmyslech atd.
Tyto motory mají velkou výhodu ve velké momentové petíitelnosti.
obr. . 3 – charakteristika synchronního motoru
2.2. Motory stejnosmrné (DC, EC) motory
V této práci se budu vnovat stejnosmrným motorm o výkonech do 400W.
Stejnosmrné motory mohou existovat i s vtšími výkony ne 400W. Mohou to být nap.
pohony mstských trolejbus nebo lodí.
2.2.1. DC motory
Klasické DC motory mají na statoru permanentní magnet a na rotoru vinutí. Pro
roztoení motoru je nutné, aby se vdy pitahovaly opané póly rotoru a statoru. K tomuto
je zapotebí innosti zvané „komutace“ (obr . 4). Komutace je vdy provádna pomocí
njakého typu kluzného kontaktu. Kluzný kontakt se skládá z kartáe (ást, která se netoí)
a z komutátoru (ást, která je souástí rotoru). Komutátor je nejastjším zdrojem poruch v
motoru. Tyto souásti se navzájem obrušují, proto je nutná oprava a výmna kluzných
ástí. Pi vyšších rychlostech vzniká elektrický oblouk, který vydírá z komutátoru drobné
kuliky, které se usazují mezi lamelami komutátoru. Ty zpsobují další vydírání kluzného
kontaktu a vznik dalších elektrických oblouk. Tyto poruchy jsou také zdrojem
elektromagnetického rušení, které me být píinou niších úinností celého motoru.
Kartáe mohou být grafitové, uhlíkové nebo kovové. Grafitové kartáe mohou
penášet vyšší proudy, doléhají na komutátor podstatn vtší plochou, ale vyadují k tomu
mnohonásobn vyšší pítlanou sílu, která má za následek vtší zábrný moment. Z toho
vyplívá další problém, konstrukce pruin. Pruiny musí být schopné pitláet kartá
konstantní silou pi celé jeho ivotnosti. Grafitový kartá se také více obrušuje, vzniká tak
prach, který se usazuje v motoru. Pro motor je to neádoucí vliv, avšak tento grafitový
prach je dobrým mazivem pro komutátor.
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 15 -
Kovové kartáe jsou lepší z hlediska vedení proudu. Odpor v kovových kartáích
roste pravideln oproti grafitovým, kde pi hladkém rozbhu motoru vznikají proudové
špiky. Z toho vyplívá, e jen motory s kovovými kartái mohou splnit pípustné limity
elektromagnetického rušení.
a) b) c)
obr. . 4 – komutace DC motoru šipky souhlasných barev znázorují kontrakci odlišných pól
Krom komutace (kterou vyeší EC motory), mají ale DC motory znanou adu
pozitivních vlastností. Jsou to nap. nkolikanásobná petíitelnost, velký zábrový
moment, nízká asová konstanta a malé rozmry.
DC motory jsou také jednoduše iditelné, není ani zapotebí ádná ídící jednotka,
staí jednoduše motor pipojit ke zdroji poadovaného napájecího naptí, zmny smru
proudu v jednotlivých cívkách si u zajišuje komutátor sám.
Zábrný moment má lineární závislost na otákách jak je tomu uvedeno
v charakteristice na obrázku . 5.
obr. . 5 (pevzato z [6]) – charakteristika DC motoru (M – moment, n – otáky, I
– proud)
- 16 -
3. ELEKTRONICKY KOMUTOVANÝ (EC, BLDC) MOTOR
Pozn.: název EC je zkratka slov „electronical comutated“, BLDC je zkratka
brushless DC
3.1. Historie
Na prvopoátku byla myšlenka, která chtla odstranit z DC motoru jeho nejslabší
ást, v podob mechanického komutátoru, který výrazn omezuje jeho ivotnost. Bylo ale
zapotebí, aby zstaly zachovány jeho vlastnosti, jako napíklad mnohonásobná
petíitelnost, velký zábrový moment, malá asová konstanta a malé rozmry.
Motory bez komutátoru existovaly u díve pod názvem tífázový servomotor nebo
stídavý AC motor. Byly ale napájeny sinusovým stídavým naptím. EC motory se zaaly
pouívat jen omezen, tam kde bylo poteba konstantních otáek, napíklad ve
videokamerách nebo videorekordérech s pohánnou magnetickou hlavou. V dnešní dob
ale poadujeme plný rozsah otáek, zábrných moment a pedevším klasických vlastností
DC motor, bez omezení mechanickým komutátorem.
3.2. Konstrukce EC motoru
Konstrukce EC motoru vychází z podstaty klasického tífázového synchronního
motoru, protoe rotor se toí synchronními otákami. Klasický stídavý synchronní motor
má rotor tvoen permanentním magnetem (me být i elektromagnet). Stator, který je
napájen stídavým proudem, vytváí magnetické pole, které udává polohu rotoru. Ten se
natáí podle indukních ar vytváených magnetickým polem statoru. adí se ale do
skupiny stejnosmrných motor, díky podobným dynamickým vlastnostem s DC motory.
DC motory mají na statoru permanentní magnet, vinutí na rotoru a komutace je zajištna
pomocí kluzných kontakt. EC motor má vinutí na statoru, permanentní magnety na rotoru
a komutace je zajištna elektronicky pomocí ídící elektroniky. Díky elektronickému
komutátoru me EC motor dosahovat vyšších otáek, maximálního kroutícího momentu
ji pi nulových otákách, co je upednostuje ped klasickými motory DC. Navíc EC
motory neodebírají ze sít dvojnásobný rozbhový proud.
Otáky EC motor nejsou omezeny mechanickou komutací, jsou omezeny pouze
vlastní odstedivou silou rotoru. U malých motork je moná rychlost a 100 000 ot./min.
EC motory, jak ji bylo eeno, nemají komutátor. Jejich ivotnost je tedy omezena
ivotností loisek.
- 17 -
obr. . 6 (pevzato z [5]) – charakteristika EC motoru, n = f ( M ), P = f ( M )
obr. . 7 (pevzato z [6]) – typické rozvrení EC motoru
EC motory rozdlíme na skupiny dle konstrukce (obrázky . 9 a 10):
• Válcové
o s rotorem vnjším
o s rotorem vnjším – plochý diskový tvar
Vtšina výrobc nabízí motor uspoádaný do diskového formátu i do válcového
formátu. Toto uspoádání se volí z poadavk zákazníka, podle toho, kam a jak potebuje
motor umístit. Další rozdlení závisí také na technických poadavcích.
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 18 -
3.2.1. Diskové versus válcové motory
Diskové EC motory jsou vyuívány v aplikacích, kde je zapotebí omezit délku
motoru a je mono motor rozšíit do šíky. Tyto motory mají i další výhody, ne jen
rozmrové. Toto konstrukní provedení umouje sníit otáky motoru pi zachování
kroutícího momentu bez vyuití pevodovky. Tato vlastnost se realizuje zvýšením potu
pólových dvojic. Vnjší prstencový rotor typu Maxon nese 8 a 24 magnet po obvodu. Ve
statoru je 6 a 18 cívek s póly. Napíklad motor Maxon o prmru 90mm a výkonu 90W
disponuje otákami „jen“ 5000 ot./min. Pro srovnání klasické válcové EC motory bn
dosahují rychlostí okolo 30 000 ot./min.[7]
Válcové EC motory disponují menším kroutícím momentem ne diskové, proto je
vtšinou nutno ped motor zaadit planetovou pevodovku. Diskové motory se vtšinou
pouívají bez pevodovky, aby byla zachována jeho poadovaná „tenkost“. Samozejm se
vyrábí i pevodovky pro diskové motory. Není jich ale tak pestrá škála jako pro motory
válcové.
obr. . 8 (pevzato z [7]) – diskový motor a stator diskového motoru
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 19 -
obr. . 9 (pevzato z [3]) – válcové (vlevo) a diskové (vpravo) uspoádání
obr. . 10 (pevzato z [3]) – vnitní (vlevo) a vnjší (vpravo) rotor
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 20 -
EC motory meme rozdlit do výkonových skupin:
- Malé výkony
- Stední výkony
- Velké výkony
Malé výkony:
- vyuití je vtšinou v malých aplikacích jako jsou zubní vrtaky,
chirurgické nástroje nebo pohony malých robot
Stední výkon:
- vyuití je nap. v letectví, chirurgii, robotice
Velké výkony:
- vyuití je nap. v letectví, chirurgii, robotice, centrifugy
Toto rozdlení není jednoznané, v kadé literatue nebo katalogu je uvádno jinak,
navíc kadý výrobce má své rozdlení.
Motory meme také dlit podle píkon nebo otáek. Jmenovitá naptí mou mít
hodnoty od 1 a 48V ( záleí na údajích výrobce ). Jmenovité otáky jsou od cca 1000
ot./min a po 100 000 otáek za minutu.
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 21 -
3.2.3. Stator
Aby byla moná elektronická komutace, muselo se pesunout vinutí do statorové
ásti. Stator, který je tvoen statorovým vinutím, je vtšinou tvoen temi fázemi. Pro malá
zatíení se pouívá dvoufázové, pro stední výkony tífázové a pro nároný provoz, kde se
vyaduje hladký prbh kroutícího momentu, me být vinutí i ty nebo ptifázové. Toto
vinutí je uloeno v drákách, které jsou zešikmeny o jednu (zpravidla) rozte dráek, aby
se zmenšily reluktanní momenty. Do tchto fází je piveden proud z napájecí jednotky. To
je rozdíl od klasických DC motor, které stailo jen pipojit ke zdroji naptí a ostatní u
zajistil mechanický komutátor. EC motor musí mít napájecí jednotku. Souástí této
jednotky musí být i ízení, které zajišuje pepínání toku proudu jednotlivými fázemi (viz
kapitola 5).
Pouívají se ti základní typy konstrukce statorového vinutí:
- vinutí s jednou drákou na jeden pól a fázi (obr. . 11 – a)
- vinutí se dvma drákami na jeden pól a fázi (obr. . 11 – b)
- segmentový stator
a) b)
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 22 -
c)
obr. . 12 ( pevzato z [2, 4] ) – EC motor a) rotor zapojen do hvzdy
b) indukce ve vzduchové mezee
c) obdélníkový a sinusový tvar proud v závislosti na poloze rotoru
Statorové vinutí me být zapojeno do hvzdy nebo trojúhelníka. Zapojení do
hvzdy (obr. . 12a ) je preferováno pro zapojení s menším prezem vodi, jeliko jimi
prochází menší proud.
ídí se obdélníkovým (motor nazýváme klasicky „EC“) nebo sinusovým (motor
nazýváme „synchronního typu“) signálem podle provedení.
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 23 -
3.2.4. Rotor
Rotor EC motoru je koncipován bu s magnety na povrchu. V tomto pípad se
nekoncentruje magnetický tok a magnetická indukce je stejná jako indukce od
permanentních magnet. Nebo s magnety uvnit rotoru, kdy je poteba ke koncentraci
magnetického toku uít pólových nástavc.
obr. . 13 ( pevzato z [4] ) – a) rotor s magnety na povrchu b)magnety uvnit
Magnety v rotoru bývají silné, vyrobené z rzných materiál. Mohou být
z levnjších ferit nebo z draších vzácných zemin (neodym – elezo – bor = NeFeB,
samarium – kobalt). Kvalitní magnet se pozná podle prbhu demagnetizace
v hysterezních kivkách.
Rotor je vtšinou sloen z jednoho magnetu o jedné pólové dvojici, me jich být i
více, pokadé ale sudý poet. Nap. firma Maxon dlá rotory svých EC motor
dvoupólové z magnetu typu NeFeB kvli minimalizaci rozmr a setrvaného momentu.
Natoení rotoru je realizováno podle statorového magnetického pole. Poloha rotoru
musí být snímána, aby se mohlo ídit pepínání proudu ve statoru a tím tak celého bhu
motoru (viz kapitola 3.2.1. Stator).
3.2.5. Ztráty
EC motor neme dosáhnout úinnosti DC motoru z dvodu hysterezních ztrát
víivými proudy a ztrát zpsobených ohmickým odporem ve vinutí statoru. Jeho úinnost
je o 3 – 5% niší. Magnetické pole statoru je toti asov promnné. EC motor také nelze
napájet pouze DC proudem, jako je tomu u DC motoru.
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 24 -
4. ROZDÍLY MEZI AC, DC A EC POHONY
Slovo pohony zahrnuje velké mnoství vyuití všech typ motor. Navíc slovo
pohon není jen samotný motor, souástí je i ízení, napájení a mnoho dalších komponent,
které jsou nezbytné. Do kadé aplikace se však „hodí“ jiný typ motoru. Vše se rozdluje
podle poadavk na napájení, jmenovitém momentu, zábrném momentu, výstupních
otákách, výstupním momentu, úinnosti, velikosti ztrát ( chlazení ), výkonu, cen a na
dalších parametrech, kterých je spousta. ( tato kapitola inspirována [1, 4, 6])
4.1. AC pohony
Jak ji bylo eeno na zaátku v kapitole 2, tyto motory se dlí na asynchronní a
synchronní.
Nevýhody
- problémy s regulací rychlosti (je nutno pouívat nákladné a sloité
zdroje s promnným naptím a frekvencí)
Aplikace:
zemdlských i strojírenských aplikací
- me pracovat ve všech tyech kvadrantech ( jako motor i brda /
alternátor )
frekvence )
Nevýhody
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 25 -
Aplikace
- pi dlouhodobém provozu
4.2. DC pohony
DC motory jsou lépe popsány v kapitole 2.2.1. Jsou to stejnosmrné komutátorové
motory. Jejich výhody a nevýhody v pouití v rzných pohonech jsou prezentovány níe.
Výhody:
- jednoduché ízení naptí v rotorovém vinutí (ízení rychlosti)
- niší poizovací cena ne EC
- snadná zmna smyslu otáení ( zmnou polarity budícího proudu )
- provozní charakteristiky se pizpsobí pohánnému systému pouze
zmnou buzení
- permanentní magnety na statoru, z toho vyplívá špatná monost chlazení
rotorového vinutí
- stední a velké výkony
trolejbus
- 26 -
4.3. EC pohony
EC motory jsou svými vlastnostmi podobné DC motorm. Mohou se také
piazovat k synchronním motorm, jeliko se toí synchronními otákami. Z toho
vyplívají nkteré spolené vlastnosti, popsané výše. Všechny níe uvedené výhody a
nevýhody se neustále mní ze stran výrobc, kteí se neustále snaí vylepšovat jejich
motory z hlediska všech parametr.
Výhody:
komutátoru
- levnjší ne synchronní motory
Nevýhody
- momentové pulzace pi niších rychlostech ( plynou z obrázku . 14 )
- malé výstupní momenty => nutnost pevodovek
Aplikace:
nástroje, automobilový prmysl, RC modely), ale i spousta dalších
aplikací podobných jako u DC motor
obr. . 14 ( pevzato z [2] ) – prbh momentu EC motoru za jednu otáku
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 27 -
5. ÍZENÍ PROUD EC MOTOR
Jeliko u EC motor není mechanický komutátor, je poteba statorové proudy njak
ídit. Stejnosmrný motor musí být komutován, jinak by toti nemohl vbec fungovat.
Komutace je tedy zajištna elektronicky (jak u tomu napovídá samotný název motoru EC)
v obvodu, který je souástí motoru. ízení zajišuje pepínání proudu do jednotlivých fází
statorového vinutí. K tomu je zapotebí znát polohu rotoru. To je zajištno pomocí
sníma. Nejastjší snímae jsou magnetické, fotoelektrické nebo optické. Snímání
polohy rotoru je realizováno po 60° nebo 120° elektrických. Záleí na typu snímae.
Sníma odešle polohu rotoru do obvodu a obvod pepne smr proudu do následující fáze,
aby se rotor toil dál. Snímae se mohou lišit v rzných typech motor.
ízení proud me být provedeno i bez senzor. Vyuívá se pitom nepipojené
tetí fáze motoru ( vdy jsou napájeny jen dv fáze – obr. . 17 ), na které lze snímat zptné
indukované elektromotorické naptí. Kdy je toto naptí rovno nule, tak se rotor nachází
pesn uprosted mezi dvma polohami. ( inspirováno z [9] )
5.1. Hallovy sondy
Rotor me být napíklad snímán Hallovými sondami. Hallovy sondy urují
absolutní polohu rotoru. Tyto sondy se vyuívají v pípad jednoduššího a levnjšího
provedení, které je spojeno také s obdélníkovým prbhem proudu. [1] Výhoda tchto
sond je, e pi výpadku proudu si elektronika „pamatuje“ pozici rotoru. K nevýhodám
patí nízká rozlišovací schopnost.
obr. . 15 ( pevzato z [6] ) – výstupní signál Hallových sond
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 28 -
Obdélníkový prbh proudu má za následek nerovnomrný prbh mechanického
momentu. Sinusový prbh proudu odstrauje kolísání mechanického momentu. V tomto
pípad jsou Hallovy sondy ješt doplnny o další sníma, který spolu s logickými obvody
vytváí tento sinusový signál.
Proudy do jednotlivých fází statoru jsou nejastji ízeny zapojením spínacích
tranzistor (MOSFET) zapojených do tzv. trojnásobného polomostu. Do tchto spínacích
tranzistor vstupuje signál dle obr. . 12c. Tento signál je ješt regulován PWM (pulsn
šíková modulace). Jedna fáze je pipojena ke kladnému pólu napájení, druhá k zápornému
a tetí napájena není, take je odpojena.
obr. . 16 (pevzato z [9]) – trojitý polomost se zapojením statoru do trojúhelníka
Na následujícím obrázku . 17 je ukázáno jak se mní smr proudu v jednotlivých
fázích vetn natoení rotoru vzhledem k psobení magnetické síly.
obr. . 17 – zmny proudu ve statorovém vinutí (ez motorem)
teka – smr proudu ped nákresnu, kíek – smr proudu za nákresnu,
prázdný vodi – fáze je odpojena
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 29 -
5.2. IRC (Incremental radial senzor)
IRC senzor patí do skupiny rotaních optických senzor. Tento senzor neme
sám o sob podávat informace o poloze rotoru. Potebuje k tomu njaké dekódovací
zaízení. Samotné snímání polohy je realizováno pomocí osvtlování fotodiody, její
výstup je v podob „0“ a „1“.
Mezi výhody tohoto snímae patí vysoká rozlišovací schopnost polohy a monost
pesného mení frekvence rotoru. K nevýhodám patí ztráta „pamti“ polohy rotoru pi
výpadku proudu.
Všechny optické senzory mají ješt jednu nevýhodu. Jsou náchylné na neisté
pracovní prostedí. Senzor se zanese a pestává fungovat.
5.3. Resolver
Tento typ snímae je v podstat analogovým senzorem. Resolver je souástí
motoru, je pipojen na hídeli. Na magnetické pole rotoru reagují dv sekundární cívky
umístné ve statoru (viz obr. 18) nastavené o 90° proti sob. Stídavý proud v primární
cívce je transformován pes rotor do sekundárních cívek. Ze sekundárních cívek vystupují
dv funkce proudu - sinφ a cosφ. Z tchto dvou výstup se vyjádí úhel φ, který je vlastn
samotné natoení rotoru.
obr. . 18 (pevzato z [10]) – provedení resolveru
Tento typ senzoru je výhodný ve strojírenství, nepotebuje tak astou údrbu, souástí nejsou citlivá drahá zaízení, tento senzor me zárove vyhodnocovat natoení rotoru i jeho rychlost. [10]
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 30 -
6.1. Pohybové rovnice pro obecný motor
( následující rovnice pejaty z [3] )
Základní rovnice popisující chování rotující soustavy vychází z d’Alambertova
principu.
1
6.1.1
kde Mi jsou hnací a zátné momenty a Md je dynamický moment.
Jeliko je rotor uloen v loiskách, je tedy uloen nepohybliv do stran, proto
meme rovnici ( 6.1.1 ) povaovat za algebraickou. Zavedeme moment motoru jako „M“
a moment pracovního mechanismu jako „Mz“. Rovnici ( 6.1.1 ) meme tedy pepsat na
tvar:
6.1.3
kde „J“ je moment setrvanosti a „ω “ je uhlová rychlost soustavy, které mohou být
promnné podle asu „t“ nebo natoení „ “. Meme rovnici upravit na tvar:
2 d
d dJ d dJ d d dJ M J J J
dt dt dt d dt dt d
ω ω ω ω ω ω
= + = + = +
vtšina soustav má moment setrvanosti konstantní, meme rovnici ( 6.1.4 ) pepsat na
tvar:
d
dt
ω =
6.1.5
Rovnici ( 6.1.5 ) meme, za pedpokladu konstantního „J“, rozepsat do tí rzných tvar:
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 31 -
2
=
ωω ωω ω
= = =
6.1.9
Všechny rovnice ( 6.1.6 – 6.1.8 ) jsou platné a všechny napsány správn. Ale kadá
forma je vhodná pro jiné pouití. Z rovnice ( 6.1.6 ) je moné vyjádit okamitou polohu,
z rovnice ( 6.1.7 ) je moné vyjádit okamitou rychlost, z rovnice ( 6.1.8 ) je moné
vyjádit závislost rychlosti na poloze.
6.2. Elektrické a mechanické rovnice
Kdy jsou v provozu dv fáze statorového vinutí zapojeného do hvzdy, meme
zavést náhradní schéma:
obr. . 19 ( pevzato z [3]) – náhradní schéma statorového vinutí
Rovnice popisující náhradní schéma:
2 1 2 . 0ph ph phU E E I R− − − =
6.2.1
- 32 -
v libovolném asovém úseku meme napsat rovnici ( 6.2.1 ) pro okamitý stav naptí ve tvaru:
1 2ph ph phE E E= +
6.2.2
pokud známe stední hodnotu indukovaného naptí, v tomto pípad meme psát rovnici:
2 ph
6.2.3
potebujeme stanovit závislost rychlosti (otáek) „n“ na momentu „M“, n=f(M), musíme
ale nejdíve stanovit závislost indukovaného naptí na otákách. Toto provedeme pro
kosotvercovou smyku vinutí statoru. Odvození je ale zdlouhavé a nic neíkající, proto
rovnou zavedeme vztah pro otáky „n“ EC motoru, za pouití potebného vtahu pro
konstantu motoru „ mk “:
6.2.5
z tohoto vtahu ( 6.2.5 ) vyplívá, e je závislost n=f(M) lineární, meme tedy tento vztah,
za pedpokladu nulového zátného momentu a bez ztrát, pepsat do tvaru:
1
2i
M
kπ =
6.2.6
kde in jsou otáky naprázdno. Pokud budeme chtít znát zábrný moment, zavedeme otáky
rotoru „ 0n “ = 0:
- 33 -
2z
ph
2 2
6.2.9
vyjádíme si závislost strmosti pímek v charakteristikách n=f(M) u EC a DC motoru, tak
zjistíme, e u EC motoru je charakteristika strmjší asi o 30%.
obr. . 20 – srovnání strmostí EC/DC
Dále meme zavést pojem úinnost, co je pomr výkonu „P“ ku píkonu „Pz“.
Výkon je v podstat píkon odetený o všechny ztráty, jak mechanické, tak elektrické.
z
P
- 34 -
7. PEHLED VYRÁBNÝCH EC MOTOR NA TRHU
Kadá pední firma se zabývá nabídkou všech typ motor od stídavých
asynchronních a po motory krokové, vetn rzných modifikací a doplk. Pro ukázku
uvádím jen výtah z katalogu firmy Maxon motor. Katalogy všech pedních firem na trhu
jsou obsáhlé. Proto zde uvádím odkazy na internetové katalogy a zájemci si mohou
sortiment firem prostudovat dodaten.
-Katalog firmy Dunkermotoren je k dispozici na: http://www.dunkermotoren.de/
data/downloads/catalogs/de/90130_BG-katalog_korrigiert.pdf
http://www.electrocraft.com/files/ead_bldc.pdf
7.1. Maxon motor AG
Maxon motor AG je švýcarský výrobce mikropohon, se 40letými zkušenostmi na
trhu, který se specializuje jak na samotné motory, tak i na všechna píslušenství, potebná
k jejich provozu. Jako jsou planetové pevodovky, brzdy, ídící jednotky a také rzné
senzory. Na internetu tuto firmu najdete na adrese : www.maxonmotor.com , v eské
Republice je dealerem firma Uzimex Praha ( www.uzimex.cz ). ( erpáno z [8] )
7.1.1. Válcové motory Maxon motor AG
Výrobce rozdluje své motory do tí ad:
7.1.1.1. ada EC
V této ad jsou dvoupólové motory od prmru 6mm a výkonu 1.2W do prmru
60mm a výkonu 400W.
0,509
11900 ...
23800
KL,HALL,ENC,
MHD,GP
- 35 -
EC 10 25,6 8 80000 9,0 ... 24 1,55 ... 1,63 68200 ...
79400 KL,HALL,GP
EC 13 21,5 6 50000 6,0 ... 24 2,10 ... 2,21 19600 ...
23100 KL,GP
EC 13 33,9 12 50000 6 ... 36 4,49 ... 4,92 20400 ...
23400 KL,GP
EC 16 40,2 15 50000 12 ... 32 4,76 ... 4,96 28200 ...
33700
KL,HALL,ENC,G
P
EC 16 56,2 40 50000 12 ... 32 13,3 ... 13,9 32100 ...
37900
KL,HALL,ENC,G
P
EC 16 56,2 40 50000 12 ... 24 10,3 / 10.7 38100 /
44900 M,KL,GP
30900
KL,HALL,ENC,R
ES,GP
35400 INT,KL,GP
36600
KL,HALL,ENC,R
ES,GP
EC 22 67,7 20 30000 24 / 32 8,98 ... 17,4 21000 ...
27800 INT,KL,GP
38900 M,KL,GP
EC 32 60 80 25000 12 ... 48 39,1 ... 44,6 9470 ...
13500
KL,HALL,ENC,R
ES,GP
EC 40 7 120 18000 12 ... 48 107 ... 129 893 ...
10900
KL,HALL,ENC,R
ES,AB,GP
EC 45 111,2 150 15000 12 ... 48 163 ... 188 4200 ...
9360
KL,HALL,ENC,R
ES,AB,GP
EC 45 144 250 12000 24 ... 48 280 ... 318 4520 ...
10500
KL,HALL,ENC,R
ES,AB,GP
3830 ...
8150
KL,HALL+ENC,
4960
KL,HALL,ENC,R
ES,AB,GP
KL – kuliková loiska , SL – samomazná kluzná loiska,ENC – monost pipojení inkrementálního snímae, DCT –
monost pipojení tachodynama, RES – monost pipojení resolveru, AB – monost pipojení brzdy, HALL – integrované Hallovy
sondy, HALL + ENC – integrované Halovy sondy spolu s inkrementálním snimaem, INT – dvoudrátové provedení motoru –
integrovaná elektronika M – sterilizovatelný 4P, 8P ... – 4-pólový, 8-pólový, ... (pokud neuvedeno, pak dvoupólový magnet) GS –
monost pipojení pevodovky s pedlohou, GP – monost pipojení pevodovky planetové
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 36 -
7.1.1.2. ada EC – max
V této ad jsou dvoupólové motory od prmru 16mm a výkonu 5W do prmru
40mm a výkonu 120W.
3,41 ...
3,53
4680 ...
2,41 ...
3,39
4390 ...
7,62 ...
8,23
7110 ...
11,2 ...
11,9
6840 ...
7740
KL,HALL,ENC,AB
,GP
EC-max
21,9 ...
23,4
9610 ...
10500
KL,HALL,ENC,AB
,GP
EC-max
33,9 ...
35,0
6640 ...
7210
KL,HALL,ENC,AB
,GP
EC-max
61,3 ...
65,3
6630 ...
8260
KL,HALL,ENC,
AB,GP,MCD
EC-max
85,1 ...
93,7
6490 ...
7620
KL,HALL,ENC,AB
,GP
EC-max
2670 ...
9280
KL,HALL,ENC,AB
,GP
Vysvtlivky:
KL – kuliková loiska , SL – samomazná kluzná loiska ENC – monost pipojení inkrementálního snímae, DCT – monost pipojení
tachodynama, RES – monost pipojení resolveru, AB – monost pipojení brzdy HALL – integrované Hallovy sondy HALL + ENC –
integrované Halovy sondy spolu s inkrementálním snímaem INT – dvoudrátové provedení motoru – integrovaná elektronika M –
sterilizovatelný 4P, 8P ... – 4-pólový, 8-pólový, ... (pokud neuvedeno, pak dvoupólový magnet) GS – monost pipojení pevodovky s
pedlohou, GP – monost pipojení pevodovky planetové MCD – pouit v inteligentním motoru - maxon compact drive (MCD)
7.1.1.3. ada EC – Powermax
V této ad jsou typólové motory od prmru 22mm a výkonu 120W do prmru
30mm a výkonu 200W.
79,0
13400 ...
76,3 16600
- 37 -
EC-
powermax
30
16200
KL,HALL,ENC,AB,4
P,GP
7.1.2. Diskové motory Maxon motor AG
Jen pro píklad uvedu výtah z katalogu diskových motor ( ada EC flat
s integrovaným ízením ):
KL, GP, GS,
IP00, IP40, 2DP,
KL, GP, GS,
IP00, IP40, 2DP,
KL, GP, GS,
IP00, IP40, 2DP,
KL, GP, GS,
IP00, IP40, 2DP,
KL, GP, GS,
IP00, IP40, 2DP,
5DP
KL – kuliková loiska, GS – monost pipojení pevodovky s pedlohou, GP – monost pipojení planetové pevodovky, IP00, IP40:
monosti krytí 2DP, 5DP: dvoudrátové a tídrátové provední
7.2. Dunkermotoren
Tato nmecká firma je na trhu od roku 1950. Má tedy dlouholeté zkušenosti. EC
motory se zabývá po dobu asi 20 let. Ve svém sortimentu zahrnuje veškeré doplkové
zboí k motorm, jako jsou pevodovky, snímae, brzdy i ídící elektronika. Vše je mono
vybrat si z pestré katalogové nabídky ( odkaz na katalog je uveden na poátku kapitoly 7 ).
Zámrn neuvádím ádné katalogové výrobky, je jich mnoho a lepší je nahlédnout
do samotného katalogu výrobce.
- Nominální naptí: 12 – 360V DC
- Nominální otáky: 2300 – 4500 ot/min
- Kroutící moment: 2.3 – 150 mNm
- Jmenovitý výkon: 6 – 530W
- 38 -
7.3. EAD motors
Firma EAD motors má sídlo v USA. Na trhu má také bohaté zkušenosti s výrobou
motor i širokého sortimentu. Tato firma se zabývá spíše elektronicky komutovanými
servomotory. Pro zajímavost uvádím jednu vybranou poloku z katalogu, aby byl zejmý
rozdíl v uvedených parametrech servopohonu s klasickým motorem. Také je vidt rozdíl
provedení vnjšího plášt oproti klasickému motoru a to kvli chlazení, protoe vinutím
teou vtší proudy.
7.4. Další výrobci motor
- 39 -
V této práci jsem nastínil problematiku o elektrických a mechanických vlastnostech
EC motor. Jsou zde uvedeny základní typy motor a jejich základní rozdlení do skupin
stídavých a stejnosmrných motor ( viz kapitola 2 ). V kapitole 2 jsou také znázornny
charakteristiky tchto typ motoru. Z tchto charakteristik jsou itelné vlastnosti motor,
pedevším závislost momentu na hídeli na otákách a jejich výhody a nevýhody, které
jsou podrobnji popsány v kapitole 4. Jak je vidt na obrázcích íslo 5 a 6, je
charakteristika EC a DC motoru hodn podobná, tém a stejná. U EC motoru má jen více
klesající charakter z dvodu ztrát ( jak u tepelných nebo z dvodu elektronické komutace)
ve statorovém vinutí. EC motor má ale vyšší zábrný moment.
Elektronicky komutovaný motor byl vyvinut z dvodu odstranní neádoucích
vliv mechanického komutátoru z DC motor jako jsou omezení ivotnosti, nutnost
neustálé údrby a v neposlední ad omezení otáek. EC motor není tmito vlivy omezen.
Má tedy ivotnost omezenou pouze ivotností loisek a otáky mohou vyšplhat a ke 100
000 otáek za minutu.
Bylo tedy nutné nahradit mechanickou komutaci elektronickou. Z této skutenosti
bylo nutné pesunout vinutí z rotoru na stator a permanentní magnety ze statoru do rotoru.
Permanentní magnet na rotoru se tedy natáí podle magnetického pole statoru a komutace
je realizována pomocí pídavného ízení statorových proud, které je integrováno do tla
motoru. K ízení statorových proud jsou zapotebí idla snímající polohu rotoru. Tyto
idla mohou být rzná ( ízení proud – viz kapitola 5 ). Mohou to být Hallovy sondy, IRC
senzory, resolvery nebo další optická i jiná idla snímající polohu.
Dále jsou v této práci uvedené nkteré matematické a elektrické rovnice, které
popisují chování motoru. Matematické rovnice jsou uvedeny pouze k momentové
podmínce. Další vztahy silové je mono získat v pouité literatue íslo [2]. Elektrické
rovnice jsou uvedeny k náhradnímu schématu ( obr. . 19 ), které vychází z napájení dvou
ze tí fází.
Další z uvedených kapitol (7) pojednává o sortimentu nabízeném nkolika
svtovými pedními firmami. Jsou zde uvedeny odkazy na nkolik internetových katalog
pedních výrobc a nkteré další svtové výrobce. Firemní katalogy jsou ale tak obsáhlé,
e provést kvalitní srovnání s ukázkou všech nabízených typ EC motor by bylo, pi
dodrení pedepsaného obsahu, nemoné. Proto je zde uvedeno jen pár typ EC motor od
firmy Maxon. Sortiment dalších firem je moné získat z katalog. Výrobci se vtšinou
nespecializují jen na motory, ale i na veškeré doplkové zboí související s poadovanými
vlastnostmi pohonu. Nabízejí nepeberné mnoství ídících jednotek, sníma polohy nebo
rychlosti, brzdy nebo pevodovky, které zajišují pevod malého kroutícího momentu
motoru na vtší, potebný pro pohon soustavy.
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 40 -
EC motory jsou vhodnými pohony všude tam, kde je poadována dlouhodobá
ivotnost, vysoké otáky a pedevším miniaturní rozmry. Dalším vyuitím mohou být
motory krokové, neboli servopohony. Válcové nebo diskové motory jsou vyuívány dle
poadavk na otáky, kroutící moment a poadavk na prostorové rozloení.
EC motory se vyuívají napíklad v chirurgii pro pohony rzných chirurgických
zaízení, pohony zubaských vrtaek, v robotice, v automobilovém prmyslu pro pohony
elektrických zrcátek, nastavení svtel, oken, polohy sedadel, volantu a mnoho dalších
aplikací v automobilech. Další vyuití me být napíklad v leteckém prmyslu, pro pohon
klapek, natáení smrovky, vysouvání podvozku, otevírání dveí a ješt mnoho dalších
vyuití, nejen v letectví.
Tato práce je tedy zamena na elektronicky komutované motory, které
zaznamenávají v poslední dob znaný rst. Zárove je prací, která je inspirována
dostupnou literaturou na dané téma a slouí ke strunému pehledu o dané problematice.
ELEKTRICKÉ A MECHANICKÉ VLASTNOSI EC MOTOR Martin PLEVA
- 41 -
9. SEZNAM POUITÉ LITERATURY
[1] eovský Z.; Javrek J.; Pavelka J. Elektrické pohony. 1. vyd. Praha: eské vysoké
uení technické v Praze, 1995. 221s. ISBN 80-01-01411-8
[2]Koláný Josef. Elektrické mikropohony. 1. vyd. Brno: Vysoké uení technické v Brn Fakulta elektrotechniky a komunikaních technologií. 173s.
[3]Koláný Josef. Elektrické pohony. 1. vyd. Brno: Vysoké uení technické v Brn Fakulta
elektrotechniky a komunikaních technologií. 127s.
[4] Skalický Jií. Elektrické servopohony. 2. vyd. Brno: Vysoké uení technické v Brn Fakulta elektroniky a informatiky Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky, 2001. Pohony s elektronicky komutovanými motory, s. 49 – 57. ISBN 80-214-1978-4
[5] Huzlik: EC motory, [online]. (bezen 2009)
URL: http://jaja.kn.vutbr.cz/~huzlik/EC%20motor.pdf
[6] Kolektiv autor: Seriál firmy Uzimex, [online]. (duben 2009) URL: http://www.uzimex.cz/download.php?file=/soubory/20070103_maxon_serial.pdf
[7] Kolektiv autor: Seriál firmy Uzimex, [online]. (duben 2009) URL: http://www.uzimex.cz/soubory/20031203_tat_2003-11_12.pdf
[8] Oficiální internetové stránky firmy Uzimex Praha. [online]. (kvten 2009)
http://www.uzimex.cz/
[9]Povala Aleš: Brushless DC motor controller, [online]. (bezen 2009)
URL:http://www.feec.vutbr.cz/EEICT/2008/sbornik/02-Magisterske%20projekty/04-
20the%20point%20sensors.pdf [online]. (duben 2009)
[11]http://www.specamotor.com/ [online]. (kvten 2009)