Silniki bezszczotkowe to różne silniki elektryczne, które w przeciwieństwie do konwencjonalnych silników szczotkowych lub węglowych. Usuwanie węgla drzewnego w silnikach bezszczotkowych zwiększa wydajność i trwałość tych silników w porównaniu z konwencjonalnymi silnikami węglowymi.
Ze względu na liczne zalety silników bezszczotkowych, wiele naszych narzędzi wykorzystuje silniki bezszczotkowe, aby towarzyszyć Ci swoją wyjątkową mocą w każdej sytuacji.Dłuższa żywotność, niewielka waga i mniejsza produkcja hałasu to tylko niektóre cechy odróżniające te silniki od silników opalanych węglem.
Silniki to maszyny dostarczające moc
Kiedy inżynierowie stają przed wyzwaniem zaprojektowania sprzętu elektrycznego do wykonywania zadań mechanicznych, mogą zastanowić się, w jaki sposób sygnały elektryczne są przekształcane w energię.Zatem siłowniki i silniki należą do urządzeń przekształcających sygnały elektryczne w ruch.Silniki wymieniają energię elektryczną na energię mechaniczną.
Najprostszym typem silnika jest szczotkowy silnik prądu stałego.W tego typu silniku prąd elektryczny przepływa przez cewki umieszczone w stałym polu magnetycznym.Prąd wytwarza pola magnetyczne w cewkach;powoduje to obrót zespołu cewki, gdy każda cewka jest odpychana od podobnego bieguna i ciągnięta w kierunku innego bieguna stałego pola.Aby utrzymać rotację, konieczne jest ciągłe odwracanie prądu — tak, aby polaryzacja cewki stale się zmieniała, powodując, że cewki w dalszym ciągu „gonią” za odmiennymi stałymi biegunami.Zasilanie cewek dostarczane jest poprzez nieruchome szczotki przewodzące, które stykają się z obracającym się komutatorem;to obrót komutatora powoduje odwrócenie prądu płynącego przez cewki.Komutator i szczotki to kluczowe elementy odróżniające szczotkowy silnik prądu stałego od innych typów silników.Rysunek 1 ilustruje ogólną zasadę działania silnika szczotkowego.
Rysunek 1: Działanie szczotkowanego silnika prądu stałego.
Szczotki stałe dostarczają energię elektryczną do obracającego się komutatora.Gdy komutator się obraca, stale zmienia kierunek prądu płynącego do cewek, odwracając polaryzację cewki, tak że cewki utrzymują obrót w prawo.Komutator obraca się, ponieważ jest przymocowany do wirnika, na którym zamontowane są cewki.
Silniki różnią się w zależności od rodzaju zasilania (AC lub DC) i sposobu generowania obrotu (rysunek 2).Poniżej przyjrzymy się pokrótce funkcjom i zastosowaniu każdego typu.
Różne typy silników
Szczotkowe silniki prądu stałego, charakteryzujące się prostą konstrukcją i łatwym sterowaniem, są szeroko stosowane do otwierania i zamykania kieszeni dyskowych.W samochodach często wykorzystuje się je do chowania, wysuwania i pozycjonowania elektrycznie sterowanych szyb bocznych.Niski koszt tych silników sprawia, że nadają się one do wielu zastosowań.Wadą jest jednak to, że szczotki i komutatory mają tendencję do stosunkowo szybkiego zużywania się w wyniku ciągłego kontaktu, co wymaga częstej wymiany i okresowej konserwacji.
Silnik krokowy napędzany jest impulsami;obraca się o określony kąt (krok) z każdym impulsem.Ponieważ obrót jest precyzyjnie kontrolowany przez liczbę otrzymanych impulsów, silniki te są szeroko stosowane do realizacji regulacji położenia.Często używa się ich na przykład do kontrolowania podawania papieru w faksach i drukarkach, ponieważ urządzenia te podają papier w stałych krokach, które można łatwo skorelować z liczbą impulsów.Pauzę można również łatwo kontrolować, ponieważ obrót silnika zatrzymuje się natychmiast po przerwaniu sygnału impulsu.
W przypadku silników synchronicznych obrót jest synchroniczny z częstotliwością prądu zasilającego.Silniki te są często używane do napędzania tac obrotowych w kuchenkach mikrofalowych;przekładnie redukcyjne w zespole silnikowym umożliwiają uzyskanie odpowiednich prędkości obrotowych do podgrzewania żywności.Również w przypadku silników indukcyjnych prędkość obrotowa zmienia się wraz z częstotliwością;ale ruch nie jest synchroniczny.W przeszłości silniki te były często stosowane w wentylatorach elektrycznych i pralkach.
Powszechnie stosuje się różne typy silników.Podczas tej sesji przyjrzymy się zaletom i zastosowaniom bezszczotkowych silników prądu stałego.
Dlaczego silniki BLDC się obracają?
Jak sama nazwa wskazuje, bezszczotkowe silniki prądu stałego nie używają szczotek.W silnikach szczotkowych szczotki dostarczają prąd przez komutator do cewek na wirniku.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.(Patrz rysunek 3.)
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, regulujesz wielkość i kierunek prądu w tych cewkach.
Ponieważ wirnik jest magnesem trwałym, nie potrzebuje prądu, co eliminuje potrzebę stosowania szczotek i komutatora.Sterowanie prądem do cewek stałych odbywa się z zewnątrz.
Zalety silników BLDC
Silnik BLDC z trzema cewkami na stojanie będzie miał sześć przewodów elektrycznych (po dwa na każdą cewkę) wychodzących z tych cewek.W większości zastosowań trzy z tych przewodów będą połączone wewnętrznie, a trzy pozostałe przewody będą wystawać z korpusu silnika (w przeciwieństwie do dwóch przewodów wystających z silnika szczotkowego opisanego wcześniej).Okablowanie w obudowie silnika BLDC jest bardziej skomplikowane niż zwykłe podłączenie dodatnich i ujemnych zacisków ogniwa zasilającego;Przyjrzymy się bliżej działaniu tych silników w drugiej sesji z tej serii.Poniżej podsumowujemy, przyglądając się zaletom silników by BLDC.
Dużą zaletą jest wydajność, ponieważ silniki te mogą sterować w sposób ciągły przy maksymalnej sile obrotowej (momencie obrotowym).Z kolei 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 także – w przypadku silników zasilanych akumulatorowo – wydłuża ich żywotność.
Silniki BLDC oferują również wysoką trwałość i niski poziom hałasu elektrycznego, dzięki brakowi szczotek.W silnikach szczotkowych szczotki i komutator zużywają się w wyniku ciągłego ruchomego kontaktu, a także wytwarzają iskry w miejscu kontaktu.W szczególności zakłócenia elektryczne są 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.
Idealne zastosowania dla silników BLDC
Widzieliśmy, że silniki BLDC oferują wysoką wydajność i sterowność oraz długą żywotność.Do czego więc się nadają?Ze względu na swoją wydajność i trwałość są szeroko stosowane w urządzeniach pracujących w trybie ciągłym.Od dawna są stosowane w pralkach, klimatyzatorach i innym sprzęcie elektronicznym;a ostatnio pojawiają się w wentylatorach, gdzie ich wysoka wydajność przyczyniła się do znacznego zmniejszenia zużycia energii.
Wykorzystuje się je także do napędzania maszyn próżniowych.W jednym przypadku zmiana programu sterującego spowodowała duży skok prędkości obrotowej – jest to przykład doskonałej sterowności oferowanej przez te silniki.
Silniki BLDC są również wykorzystywane do obracania dysków twardych, gdzie ich trwałość zapewnia niezawodną pracę dysków w dłuższej perspektywie, a ich wydajność energetyczna przyczynia się do redukcji zużycia energii w obszarze, w którym staje się to coraz ważniejsze.
W kierunku szerszego wykorzystania w przyszłości
W przyszłości możemy spodziewać się szerszego zakresu zastosowań silników BLDC.Na przykład prawdopodobnie będą szeroko stosowane do napędzania robotów usługowych – małych robotów, które świadczą usługi w dziedzinach innych niż produkcja.Można by pomyśleć, że silniki krokowe byłyby bardziej odpowiednie w tego typu zastosowaniach, w których można by wykorzystać impulsy do precyzyjnego sterowania pozycjonowaniem.Ale silniki BLDC lepiej nadają się do kontrolowania siły.A w przypadku silnika krokowego utrzymanie pozycji konstrukcji takiej jak ramię robota wymagałoby stosunkowo dużego i ciągłego prądu.W przypadku silnika BLDC wszystko, czego potrzeba, to prąd proporcjonalny do siły zewnętrznej, co pozwala na bardziej energooszczędne sterowanie.Silniki BLDC mogą również zastępować proste silniki szczotkowe prądu stałego w wózkach golfowych i wózkach inwalidzkich.Oprócz większej wydajności silniki BLDC mogą również zapewniać bardziej precyzyjne sterowanie, co z kolei może jeszcze bardziej wydłużyć żywotność baterii.
Silniki BLDC idealnie nadają się również do dronów.Ich zdolność do zapewnienia precyzyjnego sterowania sprawia, że szczególnie nadają się do dronów wielowirnikowych, w których położenie drona jest kontrolowane poprzez precyzyjne kontrolowanie prędkości obrotowej każdego wirnika.
Podczas tej sesji widzieliśmy, jak silniki BLDC oferują doskonałą wydajność, sterowność i trwałość.Aby w pełni wykorzystać potencjał tych silników, niezbędna jest jednak ostrożna i właściwa kontrola.Podczas następnej sesji przyjrzymy się działaniu tych silników.
Czas publikacji: 21 sierpnia 2023 r