Silnik bezszczotkowy BLDC – co to jest, jak działa, zastosowanie, zalety

13 września 2021 0

Autor:

Silnik bezszczotkowy BLDC – co to jest?

Silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC, ang. brushless) wdzierają się przebojem do przemysłu na całym świecie. Chociaż najpopularniejsze nadal są silniki szczotkowe, to ustępują miejsca silnikom bezszczotkowym. Silnik bezszczotkowy prądu stałego, jak już pewnie zauważyliście, nie posiada w swojej konstrukcji szczotek.

Silnik bezszczotkowy prądu stałego ma zwykle sprawność 85-90%, podczas gdy silniki szczotkowe osiągają zwykle sprawność ok. 75-80%. Szczotki w końcu się zużywają, czasami powodując niebezpieczne iskrzenie, ograniczając żywotność silnika szczotkowego. Bezszczotkowe silniki prądu stałego są ciche, lżejsze i mają znacznie dłuższą żywotność. Silniki BLDC mają wiele konkretnych 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?

Dla lepszego zrozumienia działania silników bezszczotkowych, musimy przypomnieć najpierw jak działa szczotkowy silnik prądu stałego, ponieważ były one używane przez pewien czas, zanim dostępne były bezszczotkowe silniki prądu stałego.

Rys. 1 Zdjęcie przedstawia jak działa silnik bezszczotkowy

W tego typu silniku prąd elektryczny przepływa przez cewki umieszczone w stałym polu magnetycznym. Prąd wytwarza w cewkach pola magnetyczne; powoduje to obrót zespołu cewki, ponieważ każda cewka jest odpychana od podobnego bieguna i ciągnięta w kierunku przeciwnego bieguna stałego pola. Aby utrzymać rotację, konieczne jest ciągłe odwracanie prądu – tak, aby polaryzacja cewek ciągle się zmieniała, powodując, że cewki nadal „ścigają” inne nieruchome bieguny. Zasilanie cewek jest dostarczane przez stałe 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. Szczotki stałe dostarczają energię elektryczną do komutatora obrotowego. Gdy komutator obraca się, nieustannie zmienia kierunek prądu w cewkach, odwracając polaryzację cewek, tak aby cewki utrzymywały obrót w prawo. Komutator obraca się, ponieważ jest przymocowany do wirnika, na którym zamontowane są cewki.

Dlaczego silniki bezszczotkowe BLDC obracają się?

Jak sama nazwa wskazuje, bezszczotkowe silniki prądu stałego nie używają szczotek. W przypadku silników szczotkowych szczotki dostarczają prąd przez komutator do cewek na wirniku. Jak więc bezszczotkowy silnik przekazuje prąd do cewek wirnika? Nie przekazuje – ponieważ cewki nie są umieszczone na wirniku. Zamiast tego wirnik jest magnesem trwałym; cewki nie obracają się, lecz są zamocowane na statorze. Ponieważ cewki nie poruszają się, nie ma potrzeby stosowania szczotek i komutatora. (Patrz rysunek 2.)

Rys. 2 Dlaczego silniki bezszczotkowe obracają się?

Silnik bezszczotkowy BLDC zalety

Silnik BLDC z trzema cewkami na statorze będzie miał sześć przewodów elektrycznych (po dwa na każdą cewkę) wychodzących z tych cewek. W większości realizacji trzy z tych przewodów będą połączone wewnętrznie, przy czym trzy pozostałe przewody wystają z korpusu silnika (w przeciwieństwie do dwóch przewodów wystających z opisanego wcześniej silnika szczotkowego). 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 tej serii. Poniżej podsumujmy, przyglądając się zaletom silników BLDC.

Dużą zaletą jest wydajność, ponieważ silniki te mogą pracować w sposób ciągły przy maksymalnej sile obrotowej (momencie obrotowym). Natomiast silniki szczotkowe osiągają maksymalny moment obrotowy tylko przy obrotach nominalnych. Aby silnik szczotkowy zapewniał taki sam moment obrotowy jak model bezszczotkowy, musiałby mieć znacznie większe magnesy. Dlatego nawet małe silniki BLDC mogą zapewnić znacznie większą moc.

Drugą dużą zaletą – powiązaną z pierwszą – jest sterowalność. Silnik bezszczotkowy BLDC może być sterowany za pomocą mechanizmów sprzężenia zwrotnego, aby precyzyjnie dostarczać żądany moment obrotowy i prędkość obrotową. Precyzyjne sterowanie z kolei zmniejsza zużycie energii i wytwarzanie ciepła, a w przypadkach, gdy silniki są zasilane bateryjnie, wydłuża żywotność baterii.

Silniki BLDC oferują również wysoką trwałość i niskie generowanie hałasu elektrycznego, dzięki brakowi szczotek. W przypadku silników szczotkowych szczotki i komutator zużywają się w wyniku ciągłego kontaktu w ruchu, a także wytwarzają iskry w miejscu kontaktu. W szczególności hałas elektryczny jest wynikiem silnych iskier, które zwykle występują w obszarach, w których szczotki przechodzą przez szczeliny w komutatorze. Dlatego silniki BLDC są często uważane za preferowane w zastosowaniach, w których ważne jest unikanie szumów elektrycznych.

Zastosowanie silnika bezszczotkowego BLDC

Widzieliśmy, że silniki BLDC oferują wysoką wydajność i sterowalność oraz że mają długą żywotność. Więc do czego są dobre? Ze względu na swoją wydajność i długowieczność są szeroko stosowane w urządzeniach pracujących w trybie ciągłym. Od dawna są używane w pralkach, klimatyzatorach i innej elektronice użytkowej; a od niedawna pojawiają się w wentylatorach, gdzie ich wysoka sprawność przyczyniła się do znacznego zmniejszenia zużycia energii.

Są również wykorzystywane do napędzania maszyn próżniowych. W jednym przypadku zmiana programu sterującego spowodowała duży skok prędkości obrotowej – przykład doskonałej sterowności oferowanej przez te silniki.

Silniki BLDC są również wykorzystywane do obracania dysków twardych, gdzie ich trwałość zapewnia niezawodną pracę dysków przez długi czas, a ich wydajność energetyczna przyczynia się do zmniejszenia zużycia energii w obszarze, w którym ma to coraz większe znaczenie.

W kierunku szerszego wykorzystania w przyszłości

Możemy spodziewać się, że w przyszłości silniki BLDC będą wykorzystywane w szerszym zakresie. Na przykład, prawdopodobnie będą powszechnie wykorzystywane do sterowania robotami usługowymi — małymi robotami, które świadczą usługi w dziedzinach innych niż produkcja. Można by pomyśleć, że silniki krokowe byłyby bardziej odpowiednie w tego typu zastosowaniach, gdzie impulsy mogłyby być wykorzystane do precyzyjnego sterowania pozycjonowaniem. Ale silniki BLDC są lepiej przystosowane 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, co byłoby wymagane, to prąd proporcjonalny do siły zewnętrznej, co pozwala na bardziej energooszczędną kontrolę. Silniki BLDC mogą również zastępować proste szczotkowane silniki prądu stałego w wózkach golfowych i wózkach mobilnych. Oprócz lepszej wydajności silniki BLDC mogą również zapewniać bardziej precyzyjną kontrolę, co z kolei może jeszcze bardziej wydłużyć żywotność akumulatorów.

Silnik bezszczotkowy BLDC jest również idealny do dronów. Ich zdolność do zapewniania precyzyjnego sterowania sprawia, że są one szczególnie odpowiednie do dronów wielowirnikowych, w których nastawienie drona jest kontrolowane poprzez precyzyjne kontrolowanie prędkości obrotowej każdego wirnika.

Podsumowanie

W tym artykule opisaliśmy, silniki BLDC oferujące doskonałą wydajność, sterowność i długowieczność. Jednak ostrożna i właściwa kontrola jest niezbędna, aby w pełni wykorzystać potencjał tych silników. W następnym artykule przyjrzymy się, jak działają te silniki.
Zapraszamy do zapoznania się z ofertą sklepu EBMIA.PL  Niewątpliwą zaletą jest szerokie grono doradców, który pomogą Wam w doborze odpowiedniego produktu.

W kolejnych artykułach opisujemy:

Wrzeciono CNC – jakie wybrać?

Silnik szczotkowy prądu stałego DC – budowa, zasada działania, sterowanie

 

 

UdostępnijShare on FacebookShare on Google+Tweet about this on Twitter

Powiązane produkty

Newsletter
Bądź na bieżąco