Bezszczotkowe silniki elektryczne prądu stałego: jak działają i jak wybrać

Jak działają bezszczotkowe silniki prądu stałego

Bezszczotkowy silnik elektryczny prądu stałego (BLDC) wytwarza siłę obrotową na tej samej podstawowej zasadzie, co każdy silnik prądu stałego – interakcji między polem magnetycznym a przewodnikami przewodzącymi prąd – ale eliminuje mechaniczny komutator i zespół szczotek węglowych, który jest charakterystyczny dla konstrukcji szczotkowych. Zamiast tego komutacja elektroniczna poprzez dedykowany sterownik silnika przełącza prąd przez uzwojenia stojana w precyzyjnie określonej kolejności, obracając pole magnetyczne i ciągnąc za sobą wirnik z magnesami trwałymi.

Wirnik jest wyposażony w magnesy trwałe (zazwyczaj neodymowo-żelazowo-borowe w konstrukcjach o wysokiej wydajności) i nie ma uzwojeń, pierścieni ślizgowych ani szczotek. Układ czujników z efektem Halla — lub w konstrukcjach bez czujników — monitorowanie przeciwelektromagnetycznego — przekazuje dane o położeniu wirnika do sterownika, który określa, które fazy uzwojenia należy zasilić w danym momencie. Rezultatem jest ciągłe, płynne dostarczanie momentu obrotowego bez wyładowań łukowych i strat tarcia nieodłącznie związanych ze stykiem szczotek. Wskaźniki wydajności 85–95% są typowe w całym zakresie roboczym, w porównaniu z 75–85% w przypadku równoważnych silników szczotkowych.

Bezszczotkowe i szczotkowane silniki prądu stałego: kluczowe różnice

Różnice architektoniczne pomiędzy konstrukcjami szczotkowymi i bezszczotkowymi przekładają się na znaczącą wydajność, konserwację i koszty w całym cyklu życia produktu.

Brak iskrzenia sprawia, że silniki BLDC są jedynym realnym wyborem środowiska zagrożone wybuchem lub pomieszczenia czyste , gdzie wyładowanie łuku szczotkowego stwarzałoby zagrożenie pożarowe lub wprowadzałoby zanieczyszczenie cząstkami stałymi. W standardowych warunkach przemysłowych obliczenie całkowitego kosztu posiadania zazwyczaj faworyzuje konstrukcje bezszczotkowe, gdy aplikacja działa dłużej niż kilka tysięcy godzin rocznie – oszczędności w robociźnie związanej z wymianą szczotek i przestojach rekompensują wyższy początkowy koszt silnika i sterownika w ciągu 12–24 miesięcy.

Konfiguracje wirnika wewnętrznego i zewnętrznego

Silniki BLDC są dostępne w dwóch zasadniczo różnych konfiguracjach mechanicznych, a wybór między nimi zależy od zastosowania, a nie od hierarchii wydajności.

Wirnik wewnętrzny (biegacz) silniki umieszczają wirnik z magnesami trwałymi wewnątrz uzwojeń stojana. Masa wirnika jest niewielka i skoncentrowana w pobliżu osi, tworząc: niski moment bezwładności i szybką reakcję na przyspieszenie. Inrunnerzy pracują przy wysokich obrotach (zwykle 5 000–50 000 obr./min) i współpracują ze skrzyniami biegów, gdy potrzebny jest wysoki moment obrotowy przy niższych prędkościach wału. Dominują w robotyce, wrzecionach CNC, urządzeniach medycznych i wysokowydajnych elektronarzędziach.

Zewnętrzny rotor (outrunner) silniki owijają wirnik wokół zewnętrznej części stojana, umieszczając masę magnesu w maksymalnym możliwym promieniu od osi. Ta geometria z natury generuje wysoki moment obrotowy przy niskich obrotach , dzięki czemu zastosowania z napędem bezpośrednim – wentylatory, śmigła dronów, piasty rowerów elektrycznych i pralki z napędem bezpośrednim – są naturalnie dopasowane. Przerzutki są zazwyczaj szersze i krótsze niż nabiegi o równoważnej mocy i wytwarzają płynniejszy moment obrotowy przy niskich prędkościach, bez konieczności stosowania stopnia redukcji.

Sterowanie bezczujnikowe a sterowanie czujnikowe

Sprzężenie zwrotne położenia wirnika jest krytycznym wejściem, które umożliwia sterownikowi silnika prawidłowe przełączanie faz w czasie. Sposób uzyskiwania informacji zwrotnych dzieli wdrożenia BLDC na dwa obozy, każdy z odrębnymi kompromisami.

Czujnikowe silniki BLDC osadzić w stojanie trzy czujniki Halla, oddalone od siebie o 120°. Czujniki wykrywają przejście magnesu wirnika i sygnalizują sterownikowi zmianę faz. Takie podejście zapewnia niezawodny moment rozruchowy już od zerowej prędkości obrotowej i precyzyjną kontrolę przy niskich prędkościach – niezbędne w zastosowaniach serwo, przegubach robotycznych i silnikach trakcyjnych EV, które muszą zapewniać pełny moment obrotowy podczas postoju.

Bezczujnikowe silniki BLDC całkowicie wyeliminuj czujniki Halla, zamiast tego mierząc siłę przeciwelektromotoryczną (back-EMF) generowaną przez uzwojenie nienasilone podczas ruchu wirnika. Back-EMF jest proporcjonalny do prędkości, zatem poniżej minimalnego progu — zwykle 10–15% maksymalnych obrotów — sygnał jest zbyt słaby, aby można go było zmierzyć w sposób wiarygodny. Dlatego konstrukcje bezczujnikowe charakteryzują się krótką fazą rozruchu w otwartej pętli i nie nadają się do zastosowań wymagających płynnego, kontrolowanego rozruchu ze stanu spoczynku pod pełnym obciążeniem. Zaletą jest niższy koszt silnika, mniejsza złożoność okablowania i większa odporność na środowisko — nie ma przewodów czujnika Halla, które mogłyby korodować lub pękać. Z tego powodu szybkoobrotowe wentylatory, dmuchawy HVAC i napędy pomp często korzystają z bezczujnikowego BLDC.

Wybór silnika BLDC: parametry specyfikacji, które mają znaczenie

Arkusze danych silnika zawierają szereg parametrów; nie wszystkie są równie ważne dla każdego zastosowania. Poniżej znajdują się niezbywalne dane wejściowe w dowolnym procesie wyboru silnika BLDC.

• Wartość KV (obr/min na wolt) : prędkość bez obciążenia wytwarzana przez silnik na wolt napięcia wejściowego. Silnik o napięciu 1000 KV i napięciu 24 V pracuje z prędkością około 24 000 obr./min bez obciążenia. Niższy KV oznacza większy moment obrotowy na amper przy niższej prędkości; wyższa wartość KV jest odpowiednia do zastosowań wymagających dużych prędkości i niskich momentów obrotowych.
• Wartość prądu ciągłego i szczytowego : granica cieplna silnika określa prąd ciągły, który może on przewodzić przez czas nieokreślony, nie przekraczając temperatury klasy izolacji uzwojenia. Prąd szczytowy jest zwykle 2–3 × ciągły i jest tolerowany tylko w krótkich impulsach. Dobór prądu pod kątem prądu szczytowego, a nie ciągłego, jest częstym błędem specyfikacji, który powoduje przedwczesne uszkodzenie uzwojenia.
• Klasa izolacji : Klasa B (130°C), klasa F (155°C) i klasa H (180°C) określają maksymalną dopuszczalną temperaturę uzwojenia. Podwyższona temperatura otoczenia, słaba wentylacja lub wysokie cykle pracy powodują wzrost temperatury silnika; niedostatecznie określona klasa izolacji powoduje stopniową degradację uzwojenia, zanim pojawi się jakakolwiek oczywista awaria.
• Ocena IP : ochrona przed wnikaniem kurzu i wilgoci. IP54 to podstawa dla zastosowań w przemyśle lekkim; Stopień ochrony IP65 (pyłoszczelny i odporny na strumienie wody) to minimum w przypadku środowisk zewnętrznych lub narażonych na działanie wody; IP67 i IP68 obejmują odpowiednio tymczasowe i ciągłe zanurzenie.
• Liczba Polaków : więcej biegunów zapewnia płynniejszy moment obrotowy przy niskich obrotach, ale zmniejsza prędkość maksymalną. Szybkie silniki wrzecionowe zwykle wykorzystują 2–4 bieguny; silniki o niskiej prędkości z napędem bezpośrednim mogą wykorzystywać 12, 24 lub nawet 48 biegunów.

Dopasowanie silnika do sterownika jest równie ważne jak sama specyfikacja silnika. Napięcie znamionowe sterownika musi przekraczać napięcie zasilania o margines bezpieczeństwa co najmniej 20% , a prąd znamionowy musi odpowiadać ciągłemu poborowi silnika przy maksymalnym obciążeniu, a nie szczytowemu obciążeniu silnika. Niedopasowane kontrolery są główną przyczyną wczesnych awarii systemu BLDC w aplikacjach OEM.