Bezszczotkowy silnik prądu stałego: cechy urządzenia, sterowanie pracą, zastosowanie

Zasada działania bezszczotkowego silnika prądu stałego (BKDP) znana jest od bardzo dawna, a silniki bezszczotkowe zawsze stanowiły ciekawą alternatywę dla tradycyjnych rozwiązań. Mimo to takie maszyny elektryczne znalazły szerokie zastosowanie w technologii dopiero w XXI wieku. Decydującym czynnikiem w powszechnym wdrożeniu była wielokrotna redukcja kosztów elektroniki sterującej napędem BDKP.

Problemy z silnikiem kolektora

Na podstawowym poziomie zadaniem każdego silnika elektrycznego jest przekształcanie energii elektrycznej w energię mechaniczną. Istnieją dwa główne zjawiska fizyczne leżące u podstaw konstrukcji maszyn elektrycznych:

1. Pola elektryczne i magnetyczne są ze sobą połączone. Oznacza to, że każdy poruszający się ładunek wytwarza pole magnetyczne, a zatem pola magnetyczne są w stanie wytworzyć różnicę potencjałów.
2. Magnesy oddziałują ze sobą. Praca wszystkich silników elektrycznych opiera się na interakcji magnesów. Niektóre z nich są stałe, inne to cewka, w której indukowane jest pole magnetyczne przechodząc przez pętle prądu elektrycznego.
   instagram viewer

Silnik jest zaprojektowany w taki sposób, że pola magnetyczne wytworzone na każdym z magnesów zawsze oddziałują ze sobą, dając obrót wirnika. Tradycyjny silnik prądu stałego składa się z czterech głównych części:

• stojan (element nieruchomy z pierścieniem magnesów);
• armatura (element obrotowy z uzwojeniami);
• szczotki węglowe;
• kolektor.

Ta konstrukcja zapewnia obrót twornika i kolektora na tym samym wale w stosunku do szczotek stacjonarnych. Prąd płynie ze źródła przez szczotki obciążone sprężyną, zapewniające dobry kontakt z komutatorem, który rozdziela prąd między uzwojenia twornika. Indukowane w nich pole magnetyczne oddziałuje z magnesami stojana, co powoduje obrót stojana.

Główną wadą tradycyjnego silnika jest to, że nie można osiągnąć mechanicznego kontaktu szczotek bez tarcia. Wraz ze wzrostem prędkości problem objawia się mocniej. Zespół kolektora z czasem zużywa się, a także jest podatny na wyładowania łukowe i może jonizować otaczające powietrze. Tak więc pomimo prostoty i niskich kosztów produkcji, takie silniki elektryczne mają pewne wady nie do pokonania:

• zużycie szczotek;
• zakłócenia elektryczne spowodowane wyładowaniami łukowymi;
• maksymalne ograniczenia prędkości;
• trudności z chłodzeniem wirującego elektromagnesu.

Pojawienie się technologii procesorowej i tranzystorów mocy pozwoliło projektantom zrezygnować z mechanicznej jednostki przełączającej i zmienić rolę wirnika i stojana w silniku elektrycznym prądu stałego.

Zasada działania BDKP

W bezszczotkowym silniku elektrycznym, w przeciwieństwie do swojego poprzednika, rolę przełącznika mechanicznego pełni przekształtnik elektroniczny. Umożliwia to realizację schematu „wywróconego na lewą stronę” BDKP - jego uzwojenia znajdują się na stojanie, co eliminuje konieczność stosowania kolektora.

Innymi słowy, główna zasadnicza różnica między klasycznym silnikiem a BDKP polega na tym, że zamiast magnesy stacjonarne i cewki obrotowe, te ostatnie składają się z uzwojeń stacjonarnych i wirujących magnesy. Pomimo tego, że samo przełączanie odbywa się w nim w podobny sposób, jego fizyczna implementacja w napędach bezszczotkowych jest znacznie bardziej skomplikowana.

Główną kwestią jest precyzyjne sterowanie silnikiem bezszczotkowym, przy założeniu prawidłowej kolejności i częstotliwości przełączania poszczególnych sekcji uzwojeń. Problem ten można konstruktywnie rozwiązać tylko wtedy, gdy możliwe jest ciągłe określanie aktualnej pozycji wirnika.

Dane wymagane do przetwarzania przez elektronikę pozyskiwane są na dwa sposoby.:

• wykrywanie bezwzględnej pozycji wału;
• poprzez pomiar napięcia indukowanego w uzwojeniach stojana.

Do realizacji sterowania w pierwszy sposób stosuje się najczęściej pary optyczne lub czujniki Halla przymocowane do stojana, które reagują na strumień magnetyczny wirnika. Główną zaletą takich systemów zbierania informacji o położeniu szybu jest ich wydajność nawet przy bardzo małych prędkościach iw spoczynku.

Sterowanie bezczujnikowe w celu oszacowania napięcia w cewkach wymaga co najmniej minimalnego obrotu wirnika. Dlatego w takich konstrukcjach przewidziany jest tryb uruchamiania silnika do obrotów, przy których może być napięcie na uzwojeniach oceniany i testowany stan spoczynku poprzez analizę wpływu pola magnetycznego na przechodzące impulsy prądu testowego cewki.

Pomimo wszystkich powyższych trudności projektowych, silniki bezszczotkowe podbijają wszystko duża popularność ze względu na wydajność i niedostępny zestaw rozdzielaczy cechy. Krótka lista głównych przewag BDKP nad klasycznymi wygląda tak:

• brak strat energii mechanicznej na skutek tarcia pędzla;
• porównawcza bezgłośność pracy;
• łatwość przyspieszania i zwalniania dzięki małej bezwładności wirnika;
• precyzyjna kontrola rotacji;
• możliwość zorganizowania chłodzenia ze względu na przewodność cieplną;
• umiejętność pracy przy dużych prędkościach;
• trwałość i niezawodność.

Nowoczesna aplikacja i perspektywy

Istnieje wiele urządzeń, dla których wydłużanie czasu sprawności ma kluczowe znaczenie. W takim sprzęcie zastosowanie BDKP jest zawsze uzasadnione, pomimo ich stosunkowo wysokich kosztów. Mogą to być pompy wody i paliwa, turbiny do chłodzenia klimatyzatorów i silników itp. Silniki bezszczotkowe są stosowane w wielu modelach pojazdów elektrycznych. Obecnie przemysł motoryzacyjny poważnie koncentruje się na silnikach bezszczotkowych.

BDKP doskonale sprawdzają się w małych napędach pracujących w trudnych warunkach lub z dużą dokładnością: podajniki i przenośniki taśmowe, roboty przemysłowe, systemy pozycjonowania. Są obszary, w których silniki bezszczotkowe dominują bezspornie: dyski twarde, pompy, ciche wentylatory, małe urządzenia, napędy CD/DVD. Niska waga i duża moc wyjściowa sprawiły, że BDKP jest również podstawą do produkcji nowoczesnych bezprzewodowych narzędzi ręcznych.

Można powiedzieć, że nastąpił znaczny postęp w dziedzinie napędów elektrycznych. Ciągły spadek cen elektroniki cyfrowej spowodował tendencję do powszechnego stosowania silników bezszczotkowych w miejsce tradycyjnych.