Silnik prądu stałego DC – co to jest i jakie ma zastosowanie?
Silniki prądu stałego są urządzeniami przekształcającymi energię elektryczną na ruch mechaniczny, obrotowy. Silnik DC jest nie tylko prosty w obsłudze, ale również efektywny i wszechstronny, dzięki temu znalazł zastosowanie zarówno w małych urządzeniach domowych, jak i w maszynach przemysłowych. Silnik prądu stałego można znaleźć w zabawkach, odkurzaczach, szczoteczkach elektrycznych, suszarkach do włosów i innych urządzeniach codziennego użytku. W ostatnim czasie silniki szczotkowe wykorzystywane są również w urządzeniach Smart Home, np. do automatycznego podnoszenia rolet. W samochodach silnik prądu stałego DC napędza elektryczne układy wspomagania kierownicy, mechanizmy podnoszenia szyb, wycieraczek, wentylatory, czy też systemy regulacji prędkości. W zastosowaniach przemysłowych silnik szczotkowy prądu stałego znajduje zastosowanie m.in. przy precyzyjnym sterowaniu ruchem w maszynach i robotach, taśmach transportujących, pompach perystaltycznych, itp… Dzięki stosunkowo dużej mocy i prostocie sterowania, silnik DC jest często stosowany w robotach mobilnych. W niektórych urządzeniach medycznych, takich jak pompy insulinowe silnik szczotkowy umożliwia precyzyjną kontrolę przepływu substancji.
Silnik szczotkowy – historia
Historia silnika szczotkowego prądu stałego sięga początków XIX wieku. Ważną w niej rolę odegrał Michael Faraday, który odkrył zjawisko elektromagnetyczne i w 1821 roku zaprezentował pierwszy sprawny silnik elektryczny prądu stałego, co było podstawą do dalszych prac nad silnikami elektrycznymi. Rozwój tej technologii jest rezultatem działalności wielu naukowców i wynalazców takich jak Thomas Edison.
Budowa silnika DC
Podstawowe elementy budowy silnika szczotkowego prądu stałego to:
Wirnik (rotor).
To centralna część silnika prądu stałego, przez którą przechodzi oś. Wirnik przyjmuje zazwyczaj formę walca, choć istnieją różne konstrukcje w zależności od rodzaju silnika DC. Wirniki są najczęściej wykonane z metalu, co zapewnia im odpowiednią wytrzymałość i odporność na obciążenia dynamiczne. Na zewnętrznej powierzchni wirnika umieszczane są żłobki, które mają na celu utrzymanie uzwojenia. Żłobki te mają różne formy, w zależności od specyfiki danego silnika.
Uzwojenia silnika prądu stałego
Uzwojenie silnika szczotkowego składa się z cewek wykonanych z drutu przewodzącego prąd elektryczny. Drut ten może być miedziany lub aluminiowy, w zależności od wymagań konstrukcyjnych i ekonomicznych. W zależności od silnika, uzwojenie może składać się z jednej lub wielu cewek. Cewki te są umieszczone w specjalnych żłobkach na wirniku lub w stojanie silnika DC. Nawinięte na wirniku uzwojenia oddziałujące z polem magnetycznym generuje ruch obrotowy. Prąd przepływający przez te uzwojenia jest niezbędny dla generowania ruchu obrotowego. Aby zapobiec wypadaniu uzwojenia podczas obrotów, często stosuje się specjalne kliny lub inne mechanizmy, które trzymają je na miejscu.
Stojan
Stojan zazwyczaj przyjmuje formę wydrążonego walca, otwartego na stronę wirnika. Forma taka umożliwia montaż i umieszczenie innych elementów konstrukcyjnych (takich jak magnesy stałe i uzwojenia) wewnątrz. Magnesy stałe odpowiedzialne są za generowanie stałego pola magnetycznego, które jest niezbędne dla rozpoczęcia ruchu wirnika. Stosowanymi powszechnie materiałami magnetycznymi są np.: ferryt, kobalt, nikiel i ich różnego rodzaju stopy.
Komutator
Komutator w silniku prądu stałego umożliwia załączanie uzwojeń w odpowiednich momentach podczas obrotu wału. Jego funkcja polega na zapewnieniu odpowiedniej polaryzacji uzwojeń, a w konsekwencji utrzymanie jednokierunkowego ruchu obrotowego wirnika. Dzięki mechanizmowi komutacji, czyli niezależnemu przełączaniu, silnik może działać sprawnie, niezależnie od aktualnej prędkości obrotowej.
Szczotki
Szczotki są elementami przewodzącymi prąd do wirnika, dlatego wykonane są z materiałów przewodzących prąd elektryczny, takich jak węgiel (szczotki węglowe, szczotki grafitowo-miedziane).
Zasada działania silnika prądu stałego DC
Po dołączeniu zasilania do zacisków silnika prądu stałego, aktywuje się złożony mechanizm, który sprawia, że prąd płynie przez szczotki, styki komutatora i uzwojenia nawinięte na wirniku.
1. Dołączanie zasilania
Prąd zasilający silnik DC jest podawany na szczotki, które stanowią stałe połączenie z komutatorem.
2. Przepływ prądu przez komutator i uzwojenia
Prąd płynący przez szczotki przedostaje się do komutatora, który jest zamocowany na wirniku. Komutator zmienia kierunek przepływu prądu, co wpływa na uzwojenia nawinięte na wirniku. Przepływ prądu przez cewki uzwojenia powoduje generowanie pola magnetycznego.
3. Tworzenie pola magnetycznego.
Przepływający prąd w uzwojeniach generuje pole magnetyczne wokół wirnika. To pole magnetyczne oddziałuje z magnesami znajdującymi się w stojanie silnika prądu stałęgo.
4. Siła poruszająca wirnik
W wyniku interakcji pól magnetycznych, powstaje siła, która powoduje ruch obrotowy wirnika. Wirnik zaczyna obracać się, przenosząc energię mechaniczną na oś.
5. Obrót komutatora
Obrót wirnika powoduje jednoczesny obrót komutatora. To ruchome połączenie przekazuje prąd do kolejnych uzwojeń, co utrzymuje ciągły ruch obrotowy.
6. Powtarzanie procesu
Cały opisany proces jest cykliczny. Komutator obraca się, przełączając uzwojenia, co powoduje ciągłe zmiany polaryzacji i utrzymuje ruch obrotowy wirnika.
Parametry silnika szczotkowego DC
Napięcie
Napięcie stanowi różnicę potencjałów elektrycznych zastosowaną do zasilania silnika szczotkowego. Jest to istotne, gdyż ma związek z prędkością, momentem obrotowym i mocą wyjściową silnika. Wyższe napięcie skutkuje zwiększeniem prędkości. Ponadto silniki DC mogą być kontrolowane poprzez manipulację napięciem, co pozwala na regulację prędkości silnika i odwrócenie kierunku obrotów. Ważne jest utrzymanie napięcia w granicach roboczego zakresu dla bezpiecznej i efektywnej pracy silnika.
Prąd
Prąd jest liniowo związany z momentem obrotowym. Wzrost momentu obrotowego przy stałym napięciu skutkuje wzrostem prądu. Utrzymanie prądu w zakresie roboczym jest ważne, aby nie dopuścić do przeciążenia prądem i przegrzania silnika DC. Prąd nie wpływa na prędkość silnika tak bardzo jak napięcie, ale nadal jest regulatorem prędkości.
Moment obrotowy
Miara siły obrotowej silnika – często najbardziej istotny przy wyborze silnika. Musi być wystarczający, aby przezwyciężać opory mechaniczne lub obciążenie, np. przy napędzaniu taśmy przenośnikowej. W początkowej fazie pracy silnik wymaga wysokiego momentu obrotowego do przyspieszenia, a także momentu hamowania, by skutecznie się zatrzymać
Prędkość
Czyli jak szybko obraca się silnik. Prędkość silnika prądu stałęgo jest zazwyczaj wyrażana w obrotach na minutę (rpm). Jest odwrotnie proporcjonalna do obciążenia działającego na silnik. Wzrost obciążenia skutkuje zwolnieniem silnika. Zwiększanie napięcia może z kolei zwiększyć prędkość silnika. Do utrzymania stałej prędkości niezależnie od innych parametrów (obciążenia itp.) może być używany kontroler zwrotny, np. enkoder.
Wydajność (η)
Miara tego, jak efektywnie silnik prądu stałego zamienia energię elektryczną w mechaniczną. Wyższa wydajność oznacza mniejsze zużycie energii elektrycznej, co jest korzystne dla urządzeń zasilanych baterią czy pojazdów elektrycznych. Silniki o większej wydajności są tańsze w eksploatacji i konserwacji, ponieważ generują mniej ciepła i są mniej podatne na przegrzewanie. W niektórych branżach istnieją normy dotyczące wydajności, które muszą być spełnione ze względów bezpieczeństwa i środowiskowych. Choć silniki bardziej wydajne mogą mieć wyższy koszt początkowy, ich dłuższy czas eksploatacji i niższe koszty ogólne przewyższają ten koszt.
Sterowanie silnikiem DC
W tradycyjnych układach elektrycznych, regulacja prędkości silnika szczotkowego DC odbywa się za pomocą mechanizmów przekładni bądź poprzez regulację napięcia zasilającego. Choć ta metoda jest sprawdzona i dość prosta, ma swoje ograniczenia, zwłaszcza jeśli chcemy uzyskać precyzyjną regulację prędkości obrotowej, może wpływać też niekorzystnie na osiągi silnika.
Inne, bardziej efektywne rozwiązanie to modulacja szerokości impulsu, znana również jako PWM (ang. Pulse Width Modulation). Technologia ta umożliwia dokładną regulację prędkości obrotowej, jednocześnie oferując dodatkowe funkcje ochronne, co stanowi niewątpliwą przewagę w porównaniu do tradycyjnej metody.
Zasada działania PWM
PWM (Modulacja Szerokości Impulsu): Technika regulacji prędkości silnika poprzez modyfikację współczynnika wypełnienia sygnału PWM. PWM polega na cyklicznym przełączaniu napięcia zasilającego w określonych interwałach czasowych. Zamiast dostarczania ciągłego napięcia do silników szczotkowych DC, stosowana jest seria impulsów o zmiennej szerokości. Im wyższy współczynnik, tym dłużej silnik jest zasilany pełnym napięciem, co przekłada się na wyższą prędkość obrotową. Rozwiązanie to stosowane jest m.in. w sterownikach mikroprocesorowych. Do generowania sygnału PWM wykorzystuje się mikrokontrolery, takie jak np. Arduino. Mikrokontroler programowany jest tak, aby generować impulsy o zmiennym współczynniku wypełnienia, czyli czasie trwania sygnału w stanie wysokim. Regulatory prędkości silników DC znajdziemy na EBMiA.pl
Zaletą zastosowania PWM w sterowaniu prędkością silników DC jest efektywność energetyczna. W przeciwieństwie do stabilizatorów, które pochłaniają nadmiar energii w postaci ciepła, PWM pozwala na precyzyjną kontrolę mocy bez większych strat.
Do precyzyjnego sterowania wykorzystuje się sprzężenie zwrotne. Silniki DC z wbudowanym enkoderem ( serwonapędy DC) pozwalają na dokładne monitorowanie pozycji, prędkości i kierunku obrotów, dlatego świetnie sprawdzają się w zastosowaniach, gdzie istnieje potrzeba zmiennej prędkości, takich jak taśmy przenośnikowe czy wentylatory. Sygnały z enkodera przekazywane są do sterownika, który na podstawie sygnału sprzężenia zwrotnego może utrzymać zadaną prędkość obrotową, niezależnie od obciążenia;
Do sterowania silnikami szczotkowymi z enkoderem sprawdzą się serwosterowniki silników szczotkowych DC, dostępne są tu: https://www.ebmia.pl/431-serwonapedy-szczotkowe-dc
Zalety i wady silników szczotkowych DC
Zalety silnika DC:
Konstrukcja i niski koszt
Silniki te są nieskomplikowane w budowie, co upraszcza ich produkcję i utrzymanie, a to z kolei pozytywnie wpływa na koszt takiego silnika. Dodatkowo spotyka się silniki DC z wbudowanymi przekładniami i enkoderami. Obudowa silnika często ma kształt walca spłaszczonego z dwóch stron w celu ułatwienia montażu.
Niskie napięcie zasilania
Silniki te mogą być zasilane niskim napięciem, co pozwala na korzystanie z baterii, akumulatorów lub zasilaczy prądu stałego.
Proste sterowanie prędkością
Regulacja prędkości obrotowej jest prosta, zarówno poprzez zmianę napięcia zasilania, jak i za pomocą modulacji wypełnienia impulsu (PWM).
Wysoki moment przy niewielkich rozmiarach
Silniki DC z przekładniami oferują wysoki moment obrotowy przy jednoczesnym zachowaniu niewielkich wymiarów, co sprawia, że są idealne do miniaturowych urządzeń.
Wady silnika prądu stałego
Ścieranie szczotek
Mechaniczny kontakt szczotek z komutatorem powoduje ścieranie się elementów, co wpływa na trwałość silnika szczotkowego prądu stałego.
Generowanie zakłóceń elektromagnetycznych
Silniki szczotkowe DC mogą generować zakłócenia elektromagnetyczne, co może być problematyczne w niektórych aplikacjach.
Silnik szczotkowy prądu stałego DC – podsumowanie
Silnik szczotkowy prądu stałego to nieodłączny element współczesnej elektromechaniki. Ich wszechstronność zastosowania, nieskomplikowana budowa oraz możliwość prostego i efektywnego sterowania sprawiają, że są niezastąpione w wielu dziedzinach życia. Pomimo pewnych wad, inżynierowie i projektanci nadal korzystają z tych urządzeń, doskonaląc ich działanie i przyczyniając się do rozwoju technologii elektromechanicznej.
W kolejnych artykułach opisujemy:
Silnik bezszczotkowy BLDC – co to jest, jak działa, zastosowanie, zalety
Serwonapęd a silnik krokowy? Co wybrać?
