Spis treści:
Silnik przekształca dostarczoną energię elektryczną w energię mechaniczną. W powszechnym użyciu są różne rodzaje silników. Bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) charakteryzują się wysoką wydajnością i doskonałą sterowalnością i są szeroko stosowane w wielu aplikacjach.
Silnik bezszczotkowy a silnik szczotkowy - porównanie
Nie sposób nie rozpocząć od tego ważnego rozróżnienia. Coraz częściej w użyciu spotykamy silniki BLDC, które w wielu sferach wypierają z użytku silniki szczotkowe i zastępują mechanizmy, które towarzyszą nam od ponad stu lat. Rozpocznijmy od budowy obu silników. Na silnik szczotkowy składają się:
- Stojan – element zewnętrzny, otaczający wirnik i zawierający magnesy o stałym polu magnetycznym.
- Uzwojenia – nawinięte na wirnik, podczas przepływu prądu “zachowują się” jak magnesy i wytwarzają pole magnetyczne.
- Wirnik – podczas pracy obraca się wokół własnej osi.
- Szczotki – znajdują się przy osi wirnika i zapewniają kontakt elektryczny z komutatorem.
- Komutator – przełącza kierunek prądu w uzwojeniach zmieniając tym samym bieguny pola magnetycznego.
Kiedy ładunek elektryczny przepływa przez uzwojenia, powstaje wówczas pole magnetyczne. Pole wytworzone przez uzwojenie wchodzi w interakcję z polem magnesów znajdujących się w stojanie, a jednoimiennie bieguny odpychają się wprowadzając wirnik w ruch. Obraca się on z pozycji wyjściowej o 180 stopni, a jego dalszy obrót wymaga odwrócenia pola magnetycznego. Pozwala na to komutator, który porusza się wraz z wirnikiem. Przełączając kierunek prądu w uzwojeniu, odwracamy pole magnetyczne, co pozwala na wykonanie pełnego obrotu o 360 stopni.
Jeśli chodzi zaś o budowę i działanie silnika BLDC, to jest ona poniekąd odwrotna do silnika szczotkowego. Magnesy o trwałym polu magnetycznym zostają umieszczone na wirniku, a uzwojenia znajdują się w stojanie silnika i tworzą cewki. Napływ ładunku zmienia pole magnetyczne na cewkach wprawiając wirnik w ruch. Takie rozwiązanie sprawia, że w silniku nie muszą znajdować się komutator i szczotki, ponieważ nie musimy przekazywać prądu na wirnik. Praca silnika bezszczotkowego wymaga sterownika, który precyzyjnie kontroluje kierunek i natężenie przepływu ładunku elektrycznego.
Silnik bezszczotkowy - co to jest?
Inżynierowie stają przed wyzwaniem zaprojektowania sprzętu elektrycznego do wykonywania zadań mechanicznych, a ich pierwszy krok to zastanowienie się, w jaki sposób sygnały elektryczne są przekształcane w energię. Silniki należą do urządzeń przekształcających sygnały elektryczne w ruch, czyli wymieniają energię elektryczną na energię mechaniczną. Jak sama nazwa wskazuje, bezszczotkowe silniki prądu stałego nie używają szczotek.
W silnikach szczotkowych owe szczotki dostarczają prąd przez komutator do cewek na wirniku. Zatem w jaki sposób silnik bezszczotkowy przekazuje prąd do cewek wirnika? Tak się nie dzieje, ponieważ cewki nie są umieszczone na wirniku. Zamiast tego wirnik jest magnesem trwałym – cewki nie obracają się, ale zamiast tego są zamocowane na miejscu na stojanie. Ponieważ cewki się nie poruszają, nie ma potrzeby stosowania szczotek i komutatora.
W przypadku silnika szczotkowego obrót osiąga się poprzez kontrolowanie pól magnetycznych generowanych przez cewki na wirniku, podczas gdy pole magnetyczne generowane przez magnesy stacjonarne pozostaje stałe. Aby zmienić prędkość obrotową, należy zmienić napięcie cewek. W przypadku silnika BLDC obraca się magnes trwały; obrót uzyskuje się poprzez zmianę kierunku pól magnetycznych generowanych przez otaczające cewki stacjonarne. Aby kontrolować obrót, regulujemy wielkość i kierunek prądu w tych cewkach.
Zalety silników bezszczotkowych BLDC
Pierwsza z zalet silnika bezszczotkowego to ulepszona wydajność. Silniki BLDC mogą sterować w sposób ciągły przy maksymalnej sile obrotowej (momencie obrotowym), a silniki szczotkowe osiągają maksymalny moment obrotowy tylko w określonych punktach obrotu. Aby silnik szczotkowy zapewniał taki sam moment obrotowy jak model bezszczotkowy, musiałby zastosować większe magnesy. Dlatego nawet małe silniki BLDC mogą dostarczać znaczną moc.
Drugą dużą zaletą – związaną z pierwszą – jest sterowność. Silnikami BLDC można sterować za pomocą mechanizmów sprzężenia zwrotnego, aby zapewnić dokładnie żądany moment obrotowy i prędkość obrotową. Precyzyjne sterowanie z kolei zmniejsza zużycie energii i wytwarzanie ciepła, a w przypadku silników zasilanych akumulatorowo wydłuża ich żywotność. Dzięki temu, że nie używają szczotek, silniki BLDC oferują również wysoką trwałość i niski poziom hałasu elektrycznego. W silnikach szczotkowych szczotki i komutator zużywają się w wyniku ciągłego ruchomego kontaktu, a także wytwarzają iskry w miejscu kontaktu. Zakłócenia elektryczne są w szczególności wynikiem silnych iskier, które zwykle powstają w obszarach, w których szczotki przechodzą przez szczeliny w komutatorze. Z tego powodu silniki BLDC są często uważane za preferowane w zastosowaniach, w których ważne jest unikanie zakłóceń elektrycznych.
Zastosowania silników bezszczotkowych BLDC
Wiemy, że silniki BLDC oferują wysoką wydajność i sterowność oraz długą żywotność. Do czego więc się nadają? Ze względu na te zasadnicze atuty są szeroko stosowane w urządzeniach pracujących w trybie ciągłym. Od dawna korzystają z nich pralki, klimatyzatory i szeroko pojęty sprzęt elektroniczny – pojawiają się też coraz częściej w wentylatorach, gdzie ich wysoka wydajność przyczynia się do znacznego zmniejszenia zużycia energii.
Poza sektorami AGD i małej elektroniki znajdziemy je w elektrycznych pojazdach takich jak samochody, motocykle, skutery i hulajnogi. W lotnictwie, szczególnie w dronach i bezzałogowych statkach powietrznych, silniki bezszczotkowe są preferowanym wyborem ze względu na ich wydajność i lekkość. Zwieńczeniem jest robotyka konstruktorska na szczeblu nie tylko hobbystycznym, ale i przemysłowym – korzystają z nich manipulatory (ramiona robotów przemysłowych i laboratoryjnych), roboty mobilne i użytkowe. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby skorzystać z nich w sektorze elektronarzędzi. Można wymienić wśród nich domowe i ogrodowe wkrętarki, piły, szlifierki czy kosiarki.
