Silniki BLDC
(1)Silniki elektryczne, w tym coraz popularniejsze silniki BLDC (ang. Brushless Direct-Current Motor), nazywane również silnikami bezszczotkowymi lub silnikami synchronicznymi prądu stałego DC (ang. Direct Current), to urządzenia służące do zamiany energii elektrycznej na energie mechaniczną, najczęściej w postaci ruchu obrotowego. Silniki BLDC to jedna z wielu grup silników elektrycznych, która dzięki swoim niewątpliwym zaletom znajduje zastosowanie w coraz większej ilości urządzeń, poczynając od komponentów komputerowych, takich jak napędy optyczne i wentylatory chłodzące, przez elektronarzędzia ręczne, zabawki i pojazdy zdalnie sterowane np. drony, sprzęty gospodarstwa domowego, aż po maszyny i urządzenia służące do transportu i przemieszczania, w tym hulajnogi, rowery i samochody elektryczne.
Budowa silników BLDC
Silniki bezszczotkowe, w porównaniu do silników komutatorowych, cechują się inną budową. Największą różnicą między tymi dwoma typami napędów jest brak komutatora przełączającego kolejne uzwojenia wirnika w silnikach BLDC. Zamiast tego występuje w nich tak zwana komutacja elektroniczna - specjalny sterownik przystosowany do pracy z silnikami BLDC zarządza i przełącza zasilanie na kolejnych uzwojeniach stojana w taki sposób, aby wytworzyć płynny, wirujący ruch pola elektromagnetycznego, za którym podąża wirnik, na którym umieszczone są magnesy trwałe (często w postaci silnych magnesów neodymowych). Przełączanie kolejnych uzwojeń odbywa się przy pomocy elementów półprzewodnikowych, takich jak tranzystory. Jeśli wektor pola elektromagnetycznego wytworzonego przez uzwojenie jest przesunięty kątowo względem wektora pola magnetycznego wytwarzanego przez magnesy wirnika, to pojawia się moment obrotowy, który wprawia wirnik w ruch.
Silniki trójfazowe mogą mieć uzwojenia połączone w trójkąt, gdzie koniec każdego z uzwojeń połączony jest z początkiem kolejnego, a zasilanie podawane jest na każdy z trzech powstałych w ten sposób punktów. Uzwojenia mogą być też połączone w gwiazdę, gdzie jedne z końców uzwojeń połączone są we wspólnym punkcie centralnym, natomiast zasilanie podawane jest na wolne końce każdego z nich. Układ połączenia w trójkąt zapewnia mniejszy moment obrotowy przy niskich prędkościach, jednak pozwala uzyskać wyższą maksymalną prędkość obrotową niż podczas połączenia w gwiazdę. W praktyce, w przypadku silników BLDC najczęściej spotykane jest połączenie w gwiazdę, gdyż w typowych zastosowaniach cechuje się większą wydajnością.
Silniki bezszczotkowe występować mogą w trzech odmianach, w których wirnik otoczony jest przez stojan (ang. inrunners), stojan otoczony jest przez wirnik (ang. outrunners) lub wirnik i stojan są płaskie i równoległe (ang. axial). W każdym przypadku to wirnik z magnesami trwałymi porusza się względem nieruchomej części z uzwojeniami. Zazwyczaj silniki BLDC z wirnikiem otaczającym stojan (tzw. outrunners) posiadają wyższe wartości momentu obrotowego przy niskich prędkościach obrotowych. Jako że stojan jest nieruchomy i stanowi integralną część obudowy, chłodzenie może odbywać się głównie przez kondukcję i nie jest wymagany dodatkowy wymuszony obieg powietrza, który chłodziłby silnik. Maksymalna moc silnika bezszczotkowego ograniczona jest w praktyce tylko przez ilość wydzielanego ciepła, którego nadmiar może doprowadzić do spalenia izolacji uzwojeń i w konsekwencji jego zniszczenia.
Sterowanie silnikiem bezszczotkowym
System sterowania silnikami BLDC bardzo często występuje w postaci sterowania ze sprzężeniem zwrotnym. Czujnik elektroniczny, najczęściej w postaci czujnika Halla, sprawdza aktualną pozycję kątową wirnika, dzięki czemu sterownik otrzymuje informację mówiącą o tym, w jaki sposób przełączać kolejne uzwojenia, aby uzyskać najbardziej płynny i stabilny ruch obrotowy wału. Dostosowywanie przez sterownik fazy (a w zasadzie częstotliwości przełączania uzwojeń stojana) oraz amplitudy impulsów prądu stałego pozwalają sterować prędkością obrotową oraz momentem, jaki pojawia się na wale. Istnieją również rozwiązania nieposiadające czujników położenia kątowego wirnika. Wykorzystuje się wtedy sygnał „Back EMF” (ang. Back Electromotive Force), który jest generowany przez wirujące magnesy (pole magnetyczne) przymocowane do wirnika. Napięcie indukowane na każdej z cewek porównywane jest z napięciem środkowym, występującym w punkcie łączenia wszystkich trzech uzwojeń (w przypadku, gdy są one połączone w gwiazdę). Sygnały te są wzmacniane i wysyłane do układu detekcji położenia wirnika, a ich przebiegi przesunięte są względem siebie o 120°. Problemem podczas korzystania z takiego rozwiązania jest chwila startu, czyli rozruch silnika, gdyż sygnały te nie są jeszcze generowane i położenie wirnika nie jest znane.
Warto wiedzieć, że silniki BLDC mogą posiadać różną liczbę faz. Wyróżnia się silniki BLDC jednofazowe, dwufazowe oraz trójfazowe. Im wyższa liczba faz, tym większa moc i wydajność silnika, a także tym cichsza jego praca, co jest efektem bardziej płynnego przełączania uzwojeń, które powodują mniejsze drgania konstrukcji.
Zalety silników BLDC
Komutacja elektroniczna w silnikach BLDC, tzw. ECM (ang. Electronically Commutative Motors), a zatem brak komutatora oraz szczotek węglowych ślizgających się po nim, niesie ze sobą wiele zalet. Jest to przede wszystkim brak iskrzenia, co jest częstym problemem w silnikach komutatorowych, dzięki czemu stosowane mogą być one w strefach, w których występować może ryzyko pożaru czy wybuchu. Nie występują również straty energii, gdyż nie istnieje tarcie między szczotkami węglowymi a komutatorem, które może w dodatku prowadzić do nieprawidłowej pracy układów mikroelektronicznych znajdujących się w pobliżu, ze względu na powstający wtedy szum elektroniczny. Trwałość silnika BLDC określona jest niemalże tylko przez żywotność i niezawodność wykorzystanych do jego budowy łożysk. Brak szczotek oraz komutatora to także mniejsza waga silników BLDC, ich wyższa wydajność (w porównaniu do tradycyjnych silników elektrycznych prądu stałego) oraz cicha praca. Mogą one również uzyskiwać duże prędkości obrotowe, jednak z łatwością można ustawiać na nich limity dotyczące tego parametru, a także sterować nimi przy niskich prędkościach obrotowych.
Wybierając silnik BLDC należy zwrócić uwagę na jakie napięcie zasilania jest on przystosowany. Będzie to zazwyczaj wynikało z parametrów zasilacza, jaki będzie używany wraz ze sterownikiem do obsługi danego silnika. Pod uwagę można wziąć również średnicę wału oraz konfigurację wirnika.
Magazyn:
