Szczotkowe i bezszczotkowe silniki prądu stałego: wydajność, wybór i zastosowania

Szczotkowy silnik prądu stałego vs bezszczotkowy silnik prądu stałego

Podstawowa różnica polega na sposobie przełączania prądu: silniki szczotkowe wykorzystują fizyczne szczotki i mechaniczny komutator, podczas gdy silniki bezszczotkowe korzystają z elektronicznego sterownika i czujników położenia. Ta jedna różnica konstrukcyjna przekłada się na prawie wszystkie inne różnice między dwoma typami silników – wydajność, żywotność, złożoność sterowania i koszt – wszystko to zależy od tego, czy komutacja odbywa się mechanicznie, czy elektronicznie.

Wydajność silnika szczotkowego i bezszczotkowego

Silniki bezszczotkowe są zazwyczaj bardziej wydajne niż silniki szczotkowe przy porównywalnej mocy wyjściowej, głównie dlatego, że eliminują dwa mechanizmy strat nieodłącznie związane ze stykiem szczotek: tarcie pomiędzy szczotką a komutatorem oraz straty spowodowane łukiem elektrycznym, które powstają, gdy szczotki stykają się z segmentami komutatora i zrywają je. Silniki bezszczotkowe commonly achieve efficiencies in the 85-90% range , podczas gdy silniki szczotkowe zwykle pracują o kilka punktów procentowych niżej w porównywalnych warunkach obciążenia.

Ta luka w wydajności ma największe znaczenie w zastosowaniach zasilanych akumulatorowo i pracujących w trybie ciągłym, gdzie każdy punkt procentowy wydajności przekłada się bezpośrednio na czas pracy lub zmniejszone wytwarzanie ciepła. W zastosowaniach o lekkim obciążeniu i sporadycznym użytkowaniu różnica w wydajności jest mniej znacząca, co jest jednym z powodów, dla których silniki szczotkowe są nadal powszechne w tanich produktach konsumenckich, gdzie cykl pracy jest naturalnie niski.

Zalety i wady szczotkowanego silnika prądu stałego

Ważenie A szczotkowany silnik przeciwko bezszczotkowej alternatywie sprowadza się do tego, czy jej prostota i niski koszt przeważają nad krótszą żywotnością i niższą wydajnością w konkretnym zastosowaniu.

• Zalety: niższy koszt, prostsza elektronika sterująca, wysoki moment rozruchowy, łatwa naprawa w terenie
• Wady: zużycie szczotek ogranicza żywotność, niższą wydajność, większe wytwarzanie ciepła, zakłócenia elektryczne (EMI) spowodowane wyładowaniem łukowym szczotek
• Najlepsze dopasowanie: zastosowania o niskim cyklu pracy, wrażliwe na koszty, w których dopuszczalna jest okresowa wymiana szczotek

Jak wybrać szczotkowany silnik prądu stałego: przewodnik wyboru

Wybór odpowiedniego szczotkowanego silnika prądu stałego rozpoczyna się od tych samych podstaw, co każdy silnik prądu stałego: zdefiniuj wymagany moment obrotowy i prędkość przy obciążeniu, a następnie porównaj je z znamionową mocą wyjściową silnika i dostępnym napięciem zasilania. Ponieważ szczotkowany silniks mają skończoną żywotność szczotek, cykl pracy i oczekiwaną żywotność, co ma dodatkowe znaczenie w procesie selekcji w porównaniu do zamienników bezszczotkowych.

• Potwierdź wymagany moment obrotowy i prędkość przy obciążeniu, w tym margines dla warunków początkowych i szczytowych
• Dopasuj napięcie do dostępnego źródła zasilania, unikając znacznych operacji pod lub nad napięciem
• Oszacuj oczekiwany cykl pracy i żywotność w porównaniu z znamionową żywotnością szczotek silnika
• Sprawdź parametry termiczne w warunkach pracy ciągłej i przerywanej
• Weź pod uwagę narażenie środowiska — kurz i wilgoć przyspieszają zużycie szczotek i komutatora

Obliczanie momentu obrotowego i prędkości szczotkowego silnika prądu stałego

Obliczanie momentu obrotowego i prędkości dla szczotkowego silnika prądu stałego odbywa się według tych samych zasad, co w przypadku innych ćwiczeń związanych z doborem silnika prądu stałego: określ moment obciążenia na wyjściu (siła × promień w przypadku obciążeń obrotowych lub siła ÷ przewaga mechaniczna w przypadku obciążeń liniowych), dodaj margines bezpieczeństwa wynoszący około 20-50% dla warunków rozruchu i szczytowych oraz potwierdź wymaganą prędkość na wale wyjściowym po uwzględnieniu wszelkich redukcji skrzyni biegów.

Zapotrzebowanie na moc wynika bezpośrednio z momentu obrotowego i prędkości (moc = moment obrotowy × prędkość kątowa) i wartość tę należy sprawdzić w odniesieniu do ciągłej mocy znamionowej silnika, a nie jego wartości szczytowej lub utyku, ponieważ ciągła praca w pobliżu momentu utyku generuje nadmierne ciepło w uzwojeniach twornika silnika szczotkowego i przyspiesza zużycie szczotek w wyniku większego poboru prądu.

Zastosowania szczotkowych silników prądu stałego o wysokim momencie obrotowym

Szczotkowe silniki prądu stałego, szczególnie konfiguracje z uzwojeniem szeregowym, zapewniają duży moment rozruchowy w stosunku do ich rozmiaru i kosztu, co czyni je praktycznym wyborem do zastosowań wymagających wysokiego momentu obrotowego od stanu zatrzymania, a nie ciągłej pracy z dużą prędkością. Typowe zastosowania silników szczotkowych o wysokim momencie obrotowym obejmują rozruszniki samochodowe, wciągarki, napędy elektronarzędzi i siłowniki liniowe — wszystkie przypadki, w których krótkotrwałe i intensywne zapotrzebowanie na moment obrotowy jest ważniejsze niż wydajność przy pracy ciągłej.

Szczotkowe silniki prądu stałego do sprzętu przemysłowego, robotyki i automatyki

W zastosowaniach przemysłowych i automatyce szczotkowe silniki prądu stałego są zwykle zarezerwowane do zastosowań o mniejszej liczbie cykli i wrażliwych na koszty, w których obciążenie konserwacyjne związane z okresową wymianą szczotek jest wykonalne — proste siłowniki, sekcje przenośników o niskim obciążeniu i podstawowe zadania pozycjonowania, które nie wymagają precyzji ani trwałości bezszczotkowego serwomechanizmu.

W robotyce silniki szczotkowe nadal pojawiają się w tańszych platformach hobbystycznych i edukacyjnych, w konstrukcjach prototypowych i w niekrytycznych siłownikach, gdzie budżet przewyższa potrzebę precyzyjnego sterowania lub wydłużonej żywotności. W robotyce i sprzęcie produkcyjnym, od którego oczekuje się ciągłej pracy w wymagających cyklach pracy, na ogół stosuje się silniki bezszczotkowe, w przypadku których wyższe koszty początkowe są równoważone mniejszymi kosztami konserwacji i lepszą precyzją sterowania przez cały okres eksploatacji sprzętu.