Třífázový bezkartáčový BLDC motor

Pravděpodobně každý už slyšel o pračkách s přímým pohonem bubnu. Ale doposud ani všichni odborníci na opravy praček nevědí, jak je motor v takovém stroji uspořádán a jak funguje.

Samotná myšlenka rozhodně není nová, protože je založena na krokovém motoru, který je již dlouho rozšířený v mnoha elektrických zařízeních. Jeho první použití v konstrukci pračky jako pohonu bubnu však patří korejskému koncernu LG. Od poloviny roku 2005 LG aktivně propaguje své produkty a deklaruje 10letou záruku na motor pro pračky s přímým pohonem.

Dnes, kromě LG, začaly podobné motory v řadě modelů praček používat i Samsung, Haier a Whirpool. Do budoucna můžeme říci, že LG se nepřepočítalo a motor pro přímý pohon bubnu je opravdu docela spolehlivý a má výhodu oproti tradičnějšímu a běžnějšímu sběratelskému motoru.

2. Konstrukce motoru

Motor pračky s přímým pohonem je třífázový bezkartáčový stejnosměrný motor, poněkud podobný krokovému motoru, ale ne tak docela. V zahraniční literatuře se často nazývá rozšíření bldc (Brushless Direct Current Motor – bezkartáčový stejnosměrný motor), pro přehlednost budeme tuto zkratku také používat.

Takový motor se skládá z rotoru s permanentními magnety a statoru s vinutími. Existují dva typy takových motorů:

Běžec, ve kterém jsou rotorové magnety umístěny uvnitř statoru s vinutími a Outrunner, u kterého jsou magnety umístěny na vnější straně a otáčejí se kolem pevného statoru s vinutími. V pračkách s přímým pohonem se používá motor typu Outrunner.

V tomto článku si představíme strukturu motoru pračky LG.

3. Rotor

Obr Rotor motoru pračky LG s přímým pohonem

Rotor BLDC je rotující část motoru. (obr. 2) Tvar připomíná misku, k jejímuž vnitřku jsou speciálním lepidlem připevněny obdélníkové magnety. Vždy je sudý počet magnetů a jsou instalovány se střídavými póly. V našem případě je instalováno 12 magnetů, jejichž velikost závisí na geometrii motoru a charakteristikách motoru. Čím silnější jsou použité magnety, tím vyšší je točivý moment, který motor vyvíjí na hřídeli. Ve středu rotoru je speciální montážní otvor se zářezy, který umožňuje pomocí šroubu nebo matice upevnit rotor přímo na hřídel bubnu. Na vnější straně rotoru je prolisováno 10 drážek, které na jeho zadní straně tvoří malé lopatky pro chlazení vinutí statoru.

4. Stator

Obr Stator motoru pračky LG s přímým pohonem

Stator BLDC je stacionární část motoru a je připevněn k zadní straně bubnu pračky. (obr. 3) Stator se skládá z několika plechů magneticky vodivé oceli uzavřených v plastovém rámu, který slouží jako izolant. Rám statoru obecně připomíná kruh s obdélníkovými zuby. Na každém zubu statoru je navinuta cívka.

Vinutí třífázového bezkartáčového motoru je vyrobeno z měděného drátu o tloušťce 1 mm. Klasické vinutí se provádí s jedním drátem pro jednu fázi, tj. všechna vinutí na zubech jedné fáze jsou zapojena sériově. V tomto případě má stator 36 zubů – to znamená 12 zubů na fázi. Odpor vinutí každé fáze je asi 10 Ohmů.
Jak je známo, u třífázových motorů jsou vinutí zapojena do hvězdy nebo trojúhelníku.
V našem případě jsou statorová vinutí zapojena do hvězdy, tj. konce fází mají společný bod. (obr. 4)

Protože v daném okamžiku (při zapojení do hvězdicového uspořádání) pracují pouze dvě fáze, působí magnetické síly na rotor nerovnoměrně po celém obvodu. (obr. 5).

Síly působící na rotor mají tendenci jej zkosit, což vede ke zvýšeným vibracím. Aby se tento efekt eliminoval, je stator vyroben s velkým počtem zubů a vinutí je co nejrovnoměrněji rozloženo po zubech po celém obvodu statoru. (obr. 6)

Obr Rozložení magnetických sil ve vinutí s několika zuby

V motoru pračky LG je níže vidět rozložení fázových vinutí a také relativní poloha rotoru a statoru. (viz obr. 7). Na schématu výrobce jsou fázová vinutí označena písmeny: V, W, U

Obr Třífázový stejnosměrný motor (BLDC) pračky LG (celkový pohled)

Pro řízení polohy rotoru se používá senzor pracující na Hallově principu. Senzor reaguje na magnetické pole, a proto je umístěn na statoru tak, že na něj působí magnety rotoru.

5. Řídicí systém třífázového stejnosměrného motoru (BLDC)

Za zmínku stojí, že systém řízení BLDC motoru a jeho implementační schéma jsou podobné schématu řízení třífázového asynchronního motoru popsanému v našem jiném článku. Abychom se přesně neopakovali, vysvětlíme si to trochu jinak.

Řízení motoru s přímým pohonem je založeno na napěťovém měniči s pulzně šířkovou modulací. Měnič — (z latinského inverto — otáčet, převracet) — prvek výpočetního obvodu, který provádí určité transformace signálu s proměnnou amplitudou a frekvencí. Například ve střídači se síťové napětí 220 voltů s frekvencí 50 Hz převádí na konstantní napětí a parametry napájení vinutí statoru motoru mohou kolísat od 0 do 120 voltů s frekvencí až 300 Hz.

Stejnosměrný motor má tři svorky (tj. tři fáze), na které je v různých okamžicích přiváděno napájení „+“ a „-“. To je realizováno pomocí IGBT (bipolárních tranzistorů s izolovanou hradlou), které představují elektronické výkonové klíče zapojené v můstkovém obvodu. (obr. 8)

Obr Konvenční schéma zapojení výkonové části měniče a vinutí motoru do hvězdicového zapojení

Sepnutím tlačítka SW1 se k fázi přivede „+“. V a sepnutím SW6 se do fáze přivede „-“. U Proud tedy bude protékat z „+“ pólu usměrňovače skrze fáze. V и U Pro zajištění opačného směru jsou přepínače SW5 a SW2 rozpojeny. V tomto případě bude proud protékat z “+” pólu usměrňovače fázemi. U и V v opačném směru. Když běží motor, smí být otevřený vždy pouze jeden horní a jeden dolní klíč.

Když jsou klíče zapnuty, jak je znázorněno výše, je motor napájen plným napájecím napětím. Současně motor dosahuje maximálních otáček (výkonu). Pro zajištění řízení motoru je nutné regulovat napájecí napětí motoru. Změna efektivního napětí se provádí pomocí pulzně šířkové modulace (PWM).

Definujme si tyto pojmy:
Pulzní šířková modulace (PWM) — jedná se o řízení průměrné hodnoty napětí na zátěži změnou pracovního cyklu impulsů, které ovládají klíč. A pracovní cyklus — je poměr periody opakování signálu k trvání (šířce) jeho impulsu.

Na (obr. 9) Je znázorněn graf ilustrující použití tříúrovňové PWM pro řízení elektromotoru, který se používá v pohonech asynchronních motorů s proměnnou frekvencí. Napětí z PWM modulátoru, přiváděné do vinutí motoru, je znázorněno jako obdélníkové impulsy. Tečkovaná čára zhruba znázorňuje magnetický tok ve statoru motoru. Magnetický tok má přibližně sinusový tvar, což je dáno odpovídajícím PWM zákonem.

Klíče tedy nejsou otevřené neustále, ale otevírají se a zavírají s pevnou frekvencí, ale proměnným pracovním cyklem. Efektivní napětí se tak mění od nuly k napájecímu napětí.

Vyvstává otázka: proč potřebujeme měnit pracovní cyklus, k čemu je tato frekvence a k čemu to všechno? Faktem je, že příliš nízká frekvence nemusí být účinná nebo nemusí poskytovat potřebnou plynulost regulace otáček motoru.

Obr Graf znázorňující napětí z PWM modulátoru přiváděného do vinutí motoru.

Například: pokud má rotor motoru dva póly, pak při jedné úplné otáčce magnetického pole na statoru rotor provede jednu úplnou skutečnou otáčku.

U 4 pólů jsou k otočení hřídele motoru o jednu otáčku potřeba dvě otáčky magnetického pole na statoru. Čím větší je počet pólů rotoru, tím více elektrických otáček je potřeba k otočení hřídele motoru o jednu otáčku.

V našem případě je na rotoru 12 magnetů. K otočení rotoru o jednu otáčku je zapotřebí 12/2 = 6 otáček elektrického pole. Vzhledem k konstrukčním vlastnostem motoru a řídicího systému měniče je tedy pro napájení fází motoru zapotřebí elektrická frekvence výrazně vyšší než 50 Hz.

Pro dosažení regulace otáček motoru je nutné na signály přiváděné do klíčů navrstvit PWM signál. Za tímto účelem mikrokontrolér elektronické řídicí jednotky programově generuje PWM pro každý z klíčů (IGBT). Výrobce vloží do programu řídicí jednotky určitý algoritmus a všechna data pro řízení konkrétního motoru.

Trochu jsme vysvětlili podstatu systému řízení motoru, ale podrobný přehled zařízení a principu fungování řídicí jednotky střídače je velmi objemný materiál a nebudeme se jím v rámci tohoto článku zabývat.

6. Poruchy motoru a diagnostika

Jak již bylo zmíněno výše, samotný motor je poměrně spolehlivý, relativně jednoduchý a v praxi se vyskytují ojedinělé případy selhání vinutí statoru. Magnety na statoru samozřejmě nejsou nejvyšší kvality, ale s jejich odlupováním nebo štěpením se téměř nikdy nesetkáme.

Zranitelnou částí je pravděpodobně pouze Hallův senzor. Při jeho poruše chybí signál o poloze rotoru, což vede k nesprávné funkci systému napájení fází motoru. V tomto případě můžete vidět, jak se rotor motoru zastaví a vydává chrastivý kovový zvuk. U praček LG je tento problém často doprovázen chybovým kódem „SE“ na modulu rozhraní.

Na rozdíl od komutátorového motoru není možné spustit a otestovat třífázový motor přímo mimo pračku bez speciálních zařízení, protože stator je připevněn k nádrži a rotor k hřídeli bubnu pračky. Pokud tedy máte běžný digitální multimetr, můžete zkontrolovat pouze odpor fázových vinutí statoru. V tomto ohledu se v praxi při diagnostice poruchy problematická část motoru nebo řídicí modul identifikuje výměnou součásti za známou bezvadnou.

7. Výhody a nevýhody BLDC motorů

Živější srovnání by bylo mezi třífázovým stejnosměrným motorem (BLDC) a tradičním kartáčovým motorem, který se nachází ve většině praček.

Mezi výhody BLDC motorů patří:

• nízká hladina hluku
• relativně jednoduchý design
• speciální umístění motoru v pračce, které umožňuje snížit vibrace nádrže
• absence hnacího řemene, kvůli které se část užitečné energie motoru ztratila na překonání třecích sil řemene mezi řemenicí motoru a řemenicí bubnu
• absence zranitelné jednotky sběrače a kartáče, která má omezený zdroj a vyžaduje údržbu

Mezi nevýhody BLDC motoru patří:

• poměrně složitý řídicí systém (ve srovnání s komutátorovým motorem)

Spravedlivě stojí za zmínku, že motor pračky LG s přímým pohonem není dokonale tichý. V okamžiku spuštění motoru dochází v důsledku interakce magnetických polí statoru s magnety rotoru k vibracím rotoru, doprovázeným charakteristickým kovovým zvoněním. S rostoucími otáčkami rotoru se zvuk stává tišším, ale stále jedinečným a charakteristickým pro všechny pračky LG s přímým pohonem bubnu.

Článek připravil internetový obchod A-qualux.ru

• Chybové kódy domácích spotřebičů
• База знаний
  • Články
    • Chyba E52 v pračce Electrolux a výměně kartáčů
    • Elektromotory v pračkách. Přímý pohon
    • Třífázový bezkomutátorový motor
    • Třífázový asynchronní motor
    • Kolektorový motor
    • Indukční motor
    • Chybové kódy pračky
      • Chybové kódy pro pračky Electrolux, Zanussi, AEG
      • Chybové kódy pro pračky Ariston a Indesit
      • Chybové kódy pro pračky Asko
      • Chybové kódy pro pračky Hansa
      • AEG