W branży miniaturowej kontroli płynów silniki bezszczotkowe są głównym źródłem zasilania głównego sprzętu, w tym miniaturowych pomp wodnych i miniaturowych pomp próżniowych. Małe elektrozawory współpracują z silnikami w celu uzyskania automatycznej regulacji przepływu. Ostatnio wielu nabywców sprzętu skupiło się na wydajności BLDC; dlatego też publikujemy serializowany artykuł popularnonaukowy, w którym przedstawiamy podstawową wiedzę na temat tego wysokowydajnego silnika.
Zrozumienie zasad i zastosowań silników o wysokiej sprawności: Silniki elektryczne przekształcają dostarczoną energię elektryczną w energię mechaniczną. Powszechnie stosowane są różne typy silników elektrycznych. Wśród nich bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) są bardzo wydajne i charakteryzują się doskonałą sterownością oraz są szeroko stosowane w wielu zastosowaniach. W porównaniu z innymi typami silników, silniki BLDC mają zalety w zakresie oszczędzania energii.
Silniki elektryczne to maszyny do przenoszenia napędu elektrycznego.
Kiedy inżynierowie stają przed wyzwaniem zaprojektowania sprzętu elektrycznego do wykonywania zadań mechanicznych, mogą rozważyć, w jaki sposób sygnały elektryczne są przekształcane w energię. Dlatego też siłowniki i silniki należą do urządzeń przetwarzających sygnały elektryczne na ruch. Silniki przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną.
Najprostszym silnikiem elektrycznym jest bezszczotkowy silnik prądu stałego. W tego typu silnikach prąd przepływa przez cewki umieszczone w stałym polu magnetycznym. Prąd wytwarza pole magnetyczne w cewkach; powoduje to obrót zespołu cewki, gdy każda cewka jest odpychana od własnego bieguna i przyciągana w kierunku bieguna stałego pola magnetycznego. Aby utrzymać rotację, prąd musi być stale odwracany, co powoduje ciągłe odwracanie polaryzacji cewki, w wyniku czego cewki w dalszym ciągu „gonią” biegun przeciwnego pola magnetycznego. Zasilanie cewek jest dostarczane przez nieruchome szczotki przewodzące, które stykają się z obracającym się komutatorem; obrót komutatora powoduje przepływ prądu przez cewki w przeciwnym kierunku. Komutator i szczotki to kluczowe elementy odróżniające szczotkowe silniki prądu stałego od innych silników.
Rysunek 1 ilustruje ogólną zasadę działania szczotkowego silnika prądu stałego.
Rysunek 1 ilustruje ogólną zasadę działania szczotkowego silnika prądu stałego.
Rysunek 1: Działanie szczotkowego silnika prądu stałego.
Szczotki stałe dostarczają energię elektryczną do obracającego się komutatora. Gdy komutator się obraca, w sposób ciągły odwraca kierunek prądu płynącego do cewek, odwracając w ten sposób polaryzację cewek i utrzymując je w prawo. Komutator obraca się, ponieważ jest połączony z wirnikiem, na którym zamontowane są cewki.
Typowe typy silników
Silniki różnią się rodzajem zasilania (AC lub DC) oraz sposobem generowania obrotów (rysunek 2). Poniżej pokrótce przedstawiamy charakterystykę i zastosowanie każdego typu.
Rysunek 2: Różne typy silników
Szczotkowe silniki prądu stałego są proste w konstrukcji, łatwe w sterowaniu i szeroko stosowane do otwierania i zamykania tac na dyski. W samochodach są one powszechnie używane do chowania, wysuwania i ustawiania elektrycznie sterowanych szyb bocznych. Niski koszt tych silników sprawia, że nadają się one do wielu zastosowań. Jednakże wadą jest to, że szczotki i komutator mają tendencję do stosunkowo szybkiego zużycia ze względu na ciągły kontakt, co wymaga częstej wymiany i regularnej konserwacji.
Silniki krokowe napędzane są impulsami; dla każdego otrzymanego impulsu obraca się o określony kąt (kroki). Ponieważ proces obrotu jest całkowicie kontrolowany przez liczbę odbieranych impulsów, silniki te są szeroko stosowane do regulacji położenia. Często wykorzystuje się je do kontrolowania procesu podawania papieru w faksach i drukarkach — ponieważ urządzenia te podają papier w stałych krokach, które można łatwo skorelować z liczbą impulsów. Sterowanie pauzą jest również łatwe do wdrożenia, ponieważ obrót silnika zatrzymuje się natychmiast po przerwaniu sygnału impulsowego.
Przy zastosowaniu silników synchronicznych obrót jest zsynchronizowany z częstotliwością prądu zasilającego. Silniki te są powszechnie używane do napędzania tac obrotowych w kuchenkach mikrofalowych; przekładnie redukcyjne w jednostce silnikowej zapewniają odpowiednią prędkość obrotową do podgrzewania żywności. Silniki indukcyjne, prędkość obrotowa zmienia się wraz z częstotliwością, ale ruchy są asynchroniczne. W przeszłości silniki te były powszechnie stosowane w wentylatorach elektrycznych i pralkach.
Powszechnie stosuje się różne typy silników; w tej sekcji przyjrzymy się zaletom i zastosowaniom bezszczotkowych silników prądu stałego.
Dlaczego silniki BLDC obracają się?
Jak sama nazwa wskazuje, bezszczotkowe silniki prądu stałego nie korzystają ze szczotek. W silnikach szczotkowych szczotki przenoszą prąd do cewek na wirniku za pośrednictwem komutatora. W jaki sposób silnik bezszczotkowy przekazuje prąd do cewek wirnika? Brak – ponieważ cewki nie są umieszczone na wirniku. Wirnik jest magnesem trwałym; cewki nie obracają się, ale są przymocowane do stojana. Ponieważ cewki się nie poruszają, szczotki i komutator nie są potrzebne. (Patrz rysunek 3) W silnikach szczotkowych obrót osiąga się poprzez kontrolowanie pola magnetycznego generowanego przez cewki na wirniku, podczas gdy pole magnetyczne generowane przez magnes stacjonarny pozostaje stałe. Aby zmienić prędkość obrotową, należy zmienić napięcie na cewkach. W silniku BLDC magnes trwały obraca się; obrót uzyskuje się poprzez zmianę kierunku pola elektromagnetycznego generowanego przez otaczające cewki stacjonarne. Aby kontrolować obrót, należy wyregulować wielkość i kierunek prądu płynącego do tych cewek.
Rysunek 3: Silnik BLDC.
Ponieważ wirnik jest magnesem trwałym, nie wymaga prądu, co eliminuje potrzebę stosowania szczotek i komutatorów. Prąd płynący do cewek stacjonarnych jest sterowany zewnętrznie.
Zalety silników BLDC
Silnik BLDC z trzema cewkami na stojanie będzie miał sześć przewodów (po dwa na każdą cewkę) wychodzących z tych cewek. W większości zastosowań trzy z tych przewodów będą połączone wewnętrznie, a pozostałe trzy wychodzą z korpusu silnika (w przeciwieństwie do dwóch opisanych wcześniej dwóch przewodów silnika szczotkowego). Okablowanie w obudowie silnika BLDC jest bardziej złożone niż zwykłe połączenie dodatnich i ujemnych zacisków zasilacza; bliżej przyjrzymy się działaniu tych silników w części II tej serii. Poniżej podsumowujemy zrozumienie zalet silników BLDC.
Istotną zaletą jest wydajność, ponieważ silniki te mogą pracować w sposób ciągły z maksymalnym momentem obrotowym. Natomiast silniki szczotkowe mogą osiągnąć maksymalny moment obrotowy tylko w określonych punktach obrotu. Aby zapewnić taki sam moment obrotowy jak silnik bezszczotkowy, silniki szczotkowe wymagają większych magnesów. Dlatego nawet małe silniki BLDC mogą dostarczać znaczną moc.
Drugą ważną zaletą związaną z pierwszą jest sterowność. Silnikami BLDC można sterować za pomocą mechanizmów sprzężenia zwrotnego, precyzyjnie dostarczając wymagany moment obrotowy i prędkość. Precyzyjne sterowanie zmniejsza z kolei zużycie energii i wytwarzanie ciepła, a w przypadku silnika zasilanego akumulatorowo – wydłuża żywotność akumulatora.
Ponieważ nie ma szczotek, silniki BLDC oferują również wysoką trwałość i niski poziom hałasu elektrycznego. W silnikach szczotkowych szczotki i komutator zużywają się na skutek ciągłego ruchomego styku, wytwarzając iskry w punktach styku. W szczególności szum elektryczny wynika z silnych iskier, które łatwo powstają, gdy szczotki przechodzą przez szczelinę komutatora. Z tego powodu silniki BLDC są ogólnie uważane za lepszy wybór w zastosowaniach, w których należy unikać zakłóceń elektrycznych.
Idealne zastosowania silników BLDC
Widzieliśmy, że silniki BLDC oferują wysoką wydajność i sterowność, a także mają długą żywotność. Jakie są więc ich zastosowania? Ze względu na swoją wydajność i żywotność są szeroko stosowane w urządzeniach pracujących w sposób ciągły. Od dawna są stosowane w pralkach, klimatyzatorach i innym sprzęcie elektronicznym; od niedawna pojawiły się także w wentylatorach, gdzie ich wysoka wydajność znacznie zmniejsza zużycie energii.
Wykorzystuje się je także do napędzania maszyn próżniowych. W jednym przypadku zmiana w programie sterującym spowodowała dramatyczny wzrost prędkości – jest to przykład wysokiego poziomu sterowalności, jaki oferują te silniki.
Silniki BLDC służą również do napędzania dysków twardych; ich trwałość pozwala na niezawodną pracę dysków przez dłuższy czas, a ich efektywność energetyczna pomaga zmniejszyć zużycie energii w coraz ważniejszym sektorze.
W kierunku szerszych przyszłych zastosowań
Można się spodziewać, że w przyszłości silniki BLDC będą szeroko stosowane w szerszym zakresie zastosowań. Na przykład mogą być szeroko stosowane do napędzania robotów usługowych – małych robotów świadczących usługi w sektorach poza produkcją. Można by pomyśleć, że do tego typu zastosowań lepiej nadają się silniki krokowe, ponieważ impulsy można wykorzystać do precyzyjnego sterowania pozycjonowaniem. Jednak silniki BLDC lepiej nadają się do kontrolowania siły. Przy zastosowaniu silników krokowych utrzymanie położenia konstrukcji takich jak ramiona robota wymaga stosunkowo dużego i ciągłego prądu. W przypadku silników BLDC wymagany prąd jest proporcjonalny do siły zewnętrznej, co zapewnia bardziej energooszczędne sterowanie. Silniki BLDC mogą również zastąpić proste silniki szczotkowe prądu stałego w wózkach golfowych i pojazdach mobilnych. Oprócz wyższej wydajności silniki BLDC oferują 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, umożliwiając precyzyjną kontrolę położenia drona poprzez kontrolowanie prędkości obrotowej każdego wirnika.
