Wyjaśnienie bezszczotkowych silników prądu stałego: jak działają, schematy i użycie wiertarki

Co to jest silnik elektryczny prądu stałego?

Silnik elektryczny prądu stałego to maszyna, która przekształca energię elektryczną prądu stałego w mechaniczną energię obrotową. Kiedy prąd przepływa przez przewodnik umieszczony wewnątrz pola magnetycznego, na ten przewodnik działa siła — jest to siła Lorentza i jest to zasada fizyczna stojąca za każdym istniejącym silnikiem prądu stałego. Układając wiele przewodów przewodzących prąd (uzwojenia) symetrycznie wokół obracającego się wału i zarządzając kierunkiem przepływającego przez nie prądu, silnik prądu stałego wytwarza ciągły, kontrolowany obrót.

Silniki prądu stałego są stosowane wszędzie tam, gdzie wymagany jest napęd o zmiennej prędkości, wysokim momencie obrotowym lub zasilany akumulatorowo: elektronarzędzia, pojazdy elektryczne, przenośniki przemysłowe, robotyka, wentylatory HVAC i urządzenia konsumenckie. Ich cechą charakterystyczną jest to, że prędkość obrotowa jest wprost proporcjonalna do przyłożonego napięcia, a moment obrotowy jest wprost proporcjonalny do prądu, co sprawia, że ​​sterowanie nimi jest prostsze w porównaniu z silnikami prądu przemiennego.

Dwie główne kategorie silników prądu stałego to szczotkowe silniki prądu stałego i bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) . Obydwa działają na tych samych zasadach elektromagnetycznych, różnią się jednak zasadniczo sposobem zarządzania przełączaniem prądu przez uzwojenia silnika – jest to funkcja zwana komutacją.

Jak działa silnik elektryczny prądu stałego: podstawowe zasady

Każdy silnik prądu stałego zawiera dwa podstawowe elementy magnetyczne: stojan (stacjonarna część zewnętrzna, która zapewnia stałe pole magnetyczne) i wirnik (obrotowa część wewnętrzna, zwana także twornikiem). Interakcja między polem magnetycznym stojana a polem magnetycznym generowanym przez uzwojenia przewodzące prąd na wirniku wytwarza siłę obrotową – moment obrotowy – która napędza wał.

Aby obrót był ciągły, a nie pojedynczy półobrót, kierunek prądu płynącego przez uzwojenia wirnika musi zostać odwrócony w odpowiednim momencie, gdy wirnik się obraca. Bez tego przełączania – zwanego komutacją – siły magnetyczne odwrócą się i popchną wirnik z powrotem do pozycji wyjściowej. W szczotkowym silniku prądu stałego komutacja odbywa się mechanicznie przez segmentowy miedziany pierścień (komutator) zamontowany na wale wirnika i dociskane przez sprężynowe bloki węglowe (szczotki). Gdy wirnik się obraca, szczotki stykają się ślizgowo z kolejnymi segmentami komutatora, automatycznie zmieniając kierunek prądu w odpowiednim momencie każdego obrotu.

Prosty schemat silnika prądu stałego: kluczowe elementy

Uproszczony szczotkowany silnik prądu stałego zawiera następujące elementy rozmieszczone wokół wału centralnego:

• Stojan (magnesy polowe): Magnesy trwałe lub elektromagnesy zamontowane w obudowie zewnętrznej, które wytwarzają stałe pole magnetyczne poprzez szczelinę powietrzną wirnika.
• Wirnik (twornik): Laminowany rdzeń żelazny nawinięty z izolowanymi cewkami z drutu miedzianego; Przewodzi prąd roboczy i generuje wirujące pole magnetyczne.
• Komutator: Segmentowy pierścień miedziany przymocowany do wału wirnika; zmienia kierunek prądu w uzwojeniach w miarę obracania się wirnika.
• Pędzle: Sprężynowe styki węglowe, które dociskają komutator i dostarczają prąd z obwodu zewnętrznego do obracających się uzwojeń.
• Wał i łożyska: Przesyłaj moc obrotową do obciążenia; łożyska wspierają wał i minimalizują tarcie.

Szczotki i komutator to mechaniczne słabe punkty silnika szczotkowego. Szczotki węglowe zużywają się stopniowo w wyniku tarcia, wytwarzając ciepło, szum elektryczny i pył węglowy. Przy dużych prędkościach lub pod dużym obciążeniem styk szczotek może wykrzywić się, powodując dodatkowe zużycie. Większość silników szczotkowych wymaga wymiany szczotek po 500–2000 godzinach pracy, w zależności od warunków obciążenia i prędkości.

Co to jest silnik bezszczotkowy?

Bezszczotkowy silnik prądu stałego (BLDC) to silnik elektryczny prądu stałego, który całkowicie eliminuje zespół komutatora i szczotek, zastępując komutację mechaniczną komutacją elektroniczną zarządzaną przez dedykowany sterownik silnika. Rezultatem jest silnik bez fizycznego kontaktu pomiędzy częściami stacjonarnymi i obracającymi się — bez zużywających się szczotek, bez komutatora tworzącego łuk i bez pyłu węglowego zanieczyszczającego wnętrze silnika.

W silniku bezszczotkowym role wirnika i stojana są skutecznie odwrócone w porównaniu z silnikiem szczotkowym. Magnesy trwałe są zamontowane na wirniku , podczas nawinięte miedziane cewki (uzwojenia) są zamocowane na stojanie . Sterownik silnika odczytuje położenie kątowe wirnika za pomocą czujników Halla wbudowanych w stojan i przełącza prąd przez uzwojenia stojana we właściwej kolejności, aby wirnik się obracał. To elektroniczne przełączanie odbywa się tysiące razy na sekundę i jest niewidoczne dla użytkownika, ale zastępuje cały mechaniczny system komutacji silnika szczotkowego elektroniką półprzewodnikową.

Ponieważ uzwojenia znajdują się na stojanie (części stacjonarnej), ciepło generowane przez przepływ prądu może być odprowadzane bezpośrednio przez obudowę silnika, która styka się z otaczającym powietrzem lub radiatorem. W silnikach szczotkowych ciepło generowane jest wewnątrz obracającego się twornika, skąd jest trudniejsze do usunięcia. Ta przewaga termiczna pozwala silnikom bezszczotkowym pracować ciężej i dłużej bez przegrzania.

Jak działa silnik bezszczotkowy: komutacja elektroniczna

Działanie silnika bezszczotkowego zależy od trzech współdziałających ze sobą układów: wirnika z magnesami trwałymi, trójfazowego uzwojenia stojana oraz elektronicznego regulatora prędkości (ESC) lub sterownika silnika.

Silniki bezszczotkowe są zwykle budowane z trzy zestawy uzwojeń stojana rozmieszczonych co 120° (budownictwo trójfazowe). Sterownik silnika zasila te uzwojenia w sekwencji obrotowej, tworząc wirujące pole magnetyczne w stojanie. Wirnik z magnesami trwałymi goni to pole wirujące — zawsze próbując ustawić się w jednej linii z najbliższym biegunem magnetycznym stojana — i to dążenie do pola wirującego powoduje ciągły obrót.

Sterownik musi zawsze znać dokładne położenie wirnika, aby w odpowiednim momencie zasilić prawidłowe uzwojenie. Czujniki efektu Halla wbudowane w stojan wykrywają położenie magnesów wirnika i wysyłają sygnały położenia do sterownika w każdym punkcie obrotu. Niektóre zaawansowane silniki bezszczotkowe korzystają z komutacji bezczujnikowej — ustalającej położenie wirnika na podstawie tylnego pola elektromagnetycznego (napięcia generowanego przez wirujący wirnik), a nie z czujników fizycznych — co zmniejsza liczbę komponentów i poprawia niezawodność w zastosowaniach wymagających dużych prędkości.

Wydajność silnika bezszczotkowego: dlaczego jest to ważne

Silniki bezszczotkowe rutynowo osiągają Sprawność elektryczna i mechaniczna 85–95%. w porównaniu z 75–85% w przypadku równoważnych silników szczotkowych. Wzrost wydajności wynika z wyeliminowania strat tarcia szczotek, zmniejszenia oporu elektrycznego w punktach komutacji i umożliwienia bardziej precyzyjnej kontroli prądu poprzez elektroniczne przełączanie. W zastosowaniach zasilanych akumulatorowo – elektronarzędziach, pojazdach elektrycznych, dronach – ta różnica w wydajności przekłada się bezpośrednio na dłuższy czas pracy na jednym ładowaniu. Wiertarka bezszczotkowa wykonująca te same zadania, co jej odpowiednik ze szczotką, będzie wymiernie wolniej rozładowywać akumulator, nawet przy identycznej mocy znamionowej.

Co to jest bezszczotkowa wiertarka silnikowa?

Bezszczotkowa wiertarka silnikowa to akumulatorowa wiertarka lub wiertarko-wkrętarka napędzana bezszczotkowym silnikiem prądu stałego, a nie konwencjonalnym silnikiem szczotkowym. Wiertła bezszczotkowe po raz pierwszy pojawiły się w narzędziach profesjonalnych około 2009–2012 i od tego czasu stały się standardem na wszystkich poziomach wydajności, od majsterkowania po zastosowania przemysłowe.

Praktyczne zalety wiertarek z silnikiem bezszczotkowym w porównaniu ze wiertarkami szczotkowymi są znaczne i można je bezpośrednio powiązać z różnicami w konstrukcji silnika opisanymi powyżej:

• Dłuższy czas pracy na baterii: Wyższa wydajność silnika oznacza więcej pracy na jednym ładowaniu. Wiertarki bezszczotkowe zazwyczaj zapewniają o 25–50% dłuższy czas pracy niż modele szczotkowe przy tym samym akumulatorze.
• Większa moc wyjściowa: Bez strat tarcia szczotki, większa część energii akumulatora dociera do uchwytu. Wiertarki bezszczotkowe wytwarzają większy moment obrotowy na amper pobierany z akumulatora.
• Dłuższa żywotność narzędzia: Brak zużywających się szczotek i brak łuku komutatora oznaczają, że sam silnik ma zasadniczo nieograniczoną żywotność przy normalnym użytkowaniu. Czynnikami ograniczającymi są raczej łożyska i skrzynia biegów niż silnik.
• Adaptacyjne dostarczanie mocy: Sterownik silnika w wiertarce bezszczotkowej może regulować dostarczany prąd w czasie rzeczywistym w zależności od obciążenia. Przy niewielkich obciążeniach silnik pobiera minimalny prąd; przy większym obciążeniu wzrasta. To zachowanie polegające na wykrywaniu obciążenia poprawia kontrolę i zmniejsza zużycie baterii w przypadku łatwych zadań.
• Niższa konserwacja: Brak przeglądów szczotek i okresów wymiany. Wiertła szczotkowe do intensywnego użytku profesjonalnego zazwyczaj wymagają wymiany szczotek co rok do dwóch lat; wiertarki bezszczotkowe nie mają równoważnych wymagań serwisowych.

Podstawowym kompromisem jest koszt: elektroniczny regulator prędkości zwiększa złożoność produkcji, sprawiając, że wiertarki bezszczotkowe są droższe niż ich odpowiedniki ze szczotkami przy porównywalnym poziomie mocy. Jednakże, premia cenowa gwałtownie spadła wraz ze wzrostem wielkości produkcji — podstawowe wiertarki bezszczotkowe są teraz dostępne w cenach, które wcześniej można było osiągnąć jedynie w przypadku silników szczotkowych, dzięki czemu zalety technologii bezszczotkowej są dostępne na każdą kieszeń.

Wiertarka szczotkowa vs. bezszczotkowa: kiedy ma to znaczenie?

Do sporadycznych, lekkich zastosowań — wieszania obrazów, montażu mebli w paczkach — wystarczy wiertło szczotkowe i jest ono niedrogie. Zalety wydajności i trwałości silników bezszczotkowych są najbardziej cenne w zastosowaniach wymagających dużej liczby cykli pracy: rzemieślnicy używający wiertarki przez wiele godzin dziennie, w zastosowaniach wymagających maksymalnego czasu pracy na jednym ładowaniu lub w zadaniach wymagających stałego momentu obrotowego przez długi czas, takich jak wkręcanie dużej liczby wkrętów lub wiercenie w gęstym drewnie i murze. W przypadku każdej wiertarki akumulatorowej, która będzie regularnie używana w celach profesjonalnych lub półprofesjonalnych, właściwym wyborem będzie wersja bezszczotkowa.

Szczotkowane vs Bezszczotkowy silnik prądu stałego : Porównanie techniczne

Bezszczotkowe silniki prądu stałego dominują obecnie w zastosowaniach, w których priorytetami są wydajność, trwałość lub precyzyjne sterowanie elektroniczne. Silniki szczotkowe pozostają w produkcji do zastosowań wrażliwych na koszty, o niskim cyklu pracy lub o krytycznym znaczeniu dla prostoty, gdzie ich niższy koszt jednostkowy i prostsze obwody napędowe przewyższają ich wady w zakresie wydajności. Szczególnie w segmencie elektronarzędzi rynek zdecydowanie przesunął się w stronę narzędzi bezszczotkowych — większość głównych producentów narzędzi oferuje obecnie wersje bezszczotkowe w całej gamie narzędzi bezprzewodowych , od kompaktowych wkrętaków po wytrzymałe wiertarki udarowe i szlifierki kątowe.