Spis treści:
Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC, ang. brushless DC motors) zyskują na popularności w różnych branżach na całym świecie. Chociaż tradycyjne silniki szczotkowe są nadal szeroko stosowane, to silniki bezszczotkowe coraz częściej je zastępują. Silnik bezszczotkowy prądu stałego różni się od silnika szczotkowego tym, że nie posiada w swojej konstrukcji szczotek.
Podstawowe informacje o silnikach bezszczotkowych
Silnik BLDC charakteryzuje się wysoką sprawnością, sięgającą 85-90%, podczas gdy silniki szczotkowe osiągają sprawność na poziomie 75-80%. Brak szczotek eliminuje problem ich zużywania się i potencjalnie niebezpiecznego iskrzenia, co ogranicza żywotność silników szczotkowych. Silniki bezszczotkowe są cichsze, lżejsze i mają znacznie dłuższą żywotność. Posiadają wiele zalet w porównaniu z innymi typami silników elektrycznych. Czym dokładnie jest bezszczotkowy silnik prądu stałego? Jak działa i do czego służy?
Jak działa silnik bezszczotkowy?
Aby zrozumieć działanie silników bezszczotkowych, warto najpierw przypomnieć, jak działa silnik szczotkowy prądu stałego. W silniku szczotkowym prąd elektryczny przepływa przez cewki umieszczone w stałym polu magnetycznym. Prąd generuje pole magnetyczne w cewkach, co powoduje obrót wirnika, ponieważ cewki są przyciągane i odpychane przez stałe bieguny magnetyczne.
Aby utrzymać ciągłą rotację, konieczne jest odwracanie prądu w cewkach, co jest realizowane przez komutator i szczotki. Komutator obraca się razem z wirnikiem, zmieniając kierunek prądu płynącego przez cewki, co powoduje ciągłe odwracanie polaryzacji.
W przeciwieństwie do silników szczotkowych, silniki BLDC nie używają szczotek. W silniku szczotkowym szczotki dostarczają prąd do wirnika przez komutator. W silniku BLDC cewki są umieszczone na statorze, a wirnik jest magnesem trwałym. Ponieważ cewki są nieruchome, nie ma potrzeby stosowania szczotek i komutatora. Prąd jest dostarczany do cewek statora przez kontroler, który precyzyjnie steruje ich włączeniem i wyłączeniem, co powoduje obrót wirnika.
Budowa silnika bezszczotkowego BLDC
Stator
Stator to nieruchoma część silnika, w której umieszczone są cewki. W silniku BLDC stator jest odpowiedzialny za generowanie zmiennego pola magnetycznego, które powoduje obrót wirnika. Cewki statora są połączone w układ trójfazowy, co pozwala na płynne sterowanie momentem obrotowym i prędkością silnika.
Wirnik
Wirnik jest częścią ruchomą silnika, zbudowaną z magnesów trwałych. Magnesy są rozmieszczone wokół wirnika w taki sposób, aby wytwarzać silne pole magnetyczne, które oddziałuje z polem generowanym przez cewki statora, powodując obrót wirnika.
Kontroler
Kontroler to układ elektroniczny, który steruje pracą silnika BLDC. Kontroler zarządza sekwencją włączania i wyłączania cewek statora, co zapewnia precyzyjne sterowanie momentem obrotowym i prędkością silnika. Dzięki kontrolerowi silnik BLDC może pracować z dużą efektywnością i precyzją.
Zalety silnika bezszczotkowego BLDC
Silniki BLDC charakteryzują się wysoką sprawnością, ponieważ mogą pracować w sposób ciągły przy maksymalnej sile obrotowej (momencie obrotowym). W przeciwieństwie do silników szczotkowych, które osiągają maksymalny moment obrotowy tylko przy obrotach nominalnych, silniki BLDC mogą zapewniać pełną moc w szerokim zakresie prędkości obrotowej.
Silniki BLDC mogą być sterowane za pomocą zaawansowanych mechanizmów sprzężenia zwrotnego, co pozwala na precyzyjne dostarczanie żądanego momentu obrotowego i prędkości obrotowej. Dzięki temu możliwe jest zmniejszenie zużycia energii i generowanego ciepła, a w przypadku zasilania bateryjnego, wydłużenie żywotności baterii.
Jak dobrać silnik bezszczotkowy do konkretnego projektu?
Dobór odpowiedniego silnika bezszczotkowego (BLDC) do konkretnego projektu wymaga uwzględnienia szeregu kluczowych parametrów, które wpływają na wydajność i kompatybilność silnika z daną aplikacją.
Moment obrotowy
Moment obrotowy jest jednym z najważniejszych parametrów, który należy uwzględnić przy wyborze silnika BLDC. Określa on zdolność silnika do generowania siły obrotowej. Ważne jest, aby moment obrotowy silnika był wystarczający do napędzenia obciążenia w danej aplikacji.
- Niski moment obrotowy jest idealny do aplikacji z lekkimi obciążeniami, takich jak wentylatory czy małe urządzenia przenośne.
- Wysoki moment obrotowy jest niezbędny w aplikacjach wymagających dużej siły, takich jak napędy w pojazdach elektrycznych, maszynach przemysłowych czy robotach.
Prędkość obrotowa
Prędkość obrotowa (z ang. RPM – Revolutions Per Minute) określa, jak szybko wirnik silnika może się obracać. Wybór odpowiedniej prędkości obrotowej zależy od wymagań aplikacji.
- Wysoka prędkość obrotowa jest odpowiednia dla aplikacji, gdzie wymagana jest szybka praca, np. w elektronarzędziach czy odkurzaczach.
- Niska prędkość obrotowa jest lepsza do zastosowań wymagających dużej mocy przy niskich obrotach, takich jak pompy lub wciągarki.
Napięcie zasilania
Napięcie zasilania (Voltage) to parametr określający, jakie napięcie jest wymagane do zasilania silnika. Silniki BLDC mogą pracować na różnych napięciach, w zależności od projektu.
- Niskie napięcie jest zazwyczaj stosowane w małych, przenośnych urządzeniach zasilanych bateriami.
- Wysokie napięcie jest stosowane w większych systemach, takich jak pojazdy elektryczne czy systemy przemysłowe.
Pobór prądu
Pobór prądu określa, ile prądu zużywa silnik podczas pracy. Ważne jest, aby układ zasilania mógł dostarczyć odpowiednią ilość prądu do silnika.
- Niski pobór prądu jest ważny w aplikacjach zasilanych bateryjnie, aby wydłużyć czas pracy na jednym ładowaniu.
- Wysoki pobór prądu może być konieczny w aplikacjach wymagających dużej mocy, jednak wymaga to odpowiedniego zasilania.
Rozmiary
Wymiary i waga silnika są istotne w aplikacjach, gdzie przestrzeń i masa są ograniczone.
- Kompaktowy i lekki silnik jest idealny do dronów, elektroniki konsumenckiej i urządzeń przenośnych.
- Większy i cięższy silnik jest stosowany w aplikacjach, gdzie waga nie jest krytyczna, ale wymagana jest większa moc, np. w maszynach przemysłowych.
