Silniki elektryczne prądu stałego: jak działają, rodzaje i zastosowania

Co za Silnik elektryczny prądu stałego jest

Silnik elektryczny prądu stałego (DC) to maszyna, która przekształca energię elektryczną prądu stałego w energię mechaniczną ruchu obrotowego. Działa na zasadzie, że na przewodnik przewodzący prąd umieszczony w polu magnetycznym działa siła, a dzięki prawidłowemu ułożeniu przewodników, magnesów i mechanizmu przełączającego siła ta może być utrzymywana w sposób ciągły w jednym kierunku obrotu, aby wytworzyć użyteczny moment obrotowy i prędkość na wale wyjściowym.

Silniki prądu stałego były pierwszymi silnikami elektrycznymi opracowanymi do praktycznych zastosowań przemysłowych, których pionierami byli w latach trzydziestych XIX wieku wynalazcy, w tym William Sturgeon i Thomas Davenport, i stały się dominującym typem silników w XIX i na początku XX wieku, zanim dojrzała technologia silników prądu przemiennego. Dzisiaj, Silniki prądu stałego pozostają niezbędne w systemach motoryzacyjnych, przenośnych elektronarzędziach, urządzeniach zasilanych bateryjnie, pojazdach elektrycznych i precyzyjnym sterowaniu ruchem — zastosowania, w których podstawowym wymogiem jest kontrolowana prędkość i moment obrotowy ze źródła prądu stałego.

Jak działa silnik prądu stałego: objaśnienie szczotkowanego silnika prądu stałego

Klasyczny silnik prądu stałego – szczotkowany – najlepiej demonstruje zasadę działania. Jego kluczowymi elementami są zwora (wirnik), układ pola (stojan), komutator i szczotki.

The armatura jest elementem obrotowym, składającym się z laminowanego rdzenia żelaznego nawiniętego przewodnikami miedzianymi. Kiedy prąd stały przepływa przez te przewodniki w polu magnetycznym wytwarzanym przez stojan, na każdy przewodnik działa siła Lorentza. Przewodniki są rozmieszczone w taki sposób, że wszystkie siły działają stycznie w tym samym kierunku obrotu, wytwarzając moment obrotowy netto, który obraca twornik.

Podstawowym wyzwaniem jest to, że gdy zwora się obraca, przewodniki poruszają się w polu magnetycznym, a ich położenie względem biegunów zmienia się. Bez korekcji kierunek siły uległby odwróceniu po obrocie o 180°, zatrzymując i odwracając silnik. The komutator rozwiązuje ten problem: jest to segmentowy miedziany pierścień zamontowany na wale twornika, przy czym każdy segment jest podłączony do innego uzwojenia twornika. Gdy zwora się obraca, segmenty komutatora przechodzą pod nieruchomym węglem pędzle utrzymujące kontakt elektryczny z obwodem zewnętrznym. Geometria komutatora zapewnia, że prąd zawsze płynie we właściwym kierunku, niezależnie od tego, które przewody znajdują się w optymalnym położeniu wytwarzającym moment obrotowy — skutecznie odwraca prąd w każdym uzwojeniu dokładnie w odpowiednim momencie aby utrzymać ciągły obrót jednokierunkowy.

Rodzaje silników prądu stałego i ich charakterystyka

Seria silników prądu stałego

W silniku szeregowym uzwojenie wzbudzenia i uzwojenie twornika są połączone szeregowo — przez oba płynie ten sam prąd. Powoduje to bardzo wysoki moment rozruchowy, ponieważ przy niskiej prędkości przez pole przepływa duży prąd, tworząc silne pole magnetyczne, a tym samym dużą siłę działającą na przewody twornika. Jednakże prędkość gwałtownie wzrasta wraz ze spadkiem obciążenia i szeregowy silnik prądu stałego pracujący bez obciążenia może osiągać niebezpiecznie duże prędkości (stan zwany „ucieczką”). Silniki szeregowe znajdują zastosowanie w aplikacjach wymagających wysokiego momentu rozruchowego: trakcja elektryczna (pociągi, tramwaje), dźwigi, wciągniki, rozruszniki w silnikach spalinowych.

Bocznikowy silnik prądu stałego

W silniku bocznikowym uzwojenie wzbudzenia jest połączone równolegle (bocznik) ze twornikiem poprzez napięcie zasilania. Ponieważ napięcie pola jest stałe, strumień pola jest zasadniczo stały niezależnie od prądu obciążenia. Dzięki temu silnik bocznikowy ma charakterystyczną charakterystykę: stosunkowo stała prędkość w szerokim zakresie obciążenia . Regulacja prędkości — procentowa zmiana prędkości od biegu jałowego do pełnego obciążenia — w dobrze zaprojektowanym silniku bocznikowym wynosi zazwyczaj 5–15%. Silniki bocznikowe nadają się do obrabiarek, tokarek, frezarek i wentylatorów, gdzie wymagana jest stała prędkość przy zmiennym obciążeniu.

Złożony silnik prądu stałego

Silnik złożony łączy uzwojenia szeregowe i bocznikowe, łącząc wysoki moment rozruchowy konfiguracji szeregowej ze stabilnością prędkości bocznika. Skumulowane mieszanie (wspomaganie pól) zapewnia wysoki moment rozruchowy przy rozsądnej regulacji prędkości. Mieszanie różnicowe (przeciwne pola) daje bardzo płaską charakterystykę prędkości, ale jest rzadko stosowane ze względu na ryzyko niestabilności. Silniki złożone obsługują prasy, stemple, windy i inne obciążenia, które wymagają zarówno dobrego momentu rozruchowego, jak i stabilnej prędkości roboczej.

Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi (PMDC)

Silniki PMDC zastępują uzwojone pole magnesami trwałymi, eliminując straty miedzi w uzwojeniu pola i upraszczając konstrukcję. Oferują liniowa charakterystyka prędkość-moment — prędkość spada proporcjonalnie wraz ze wzrostem momentu obrotowego — co czyni je bardzo przewidywalnymi i łatwymi do kontrolowania. Silniki z magnesami trwałymi są dominującym typem w zastosowaniach o małej i średniej mocy: pomocniczych napędach samochodowych (podnośniki szyb, wycieraczki, regulatory siedzeń), elektronarzędziach, drukarkach i małych urządzeniach. Ich głównym ograniczeniem jest to, że magnesy trwałe mogą rozmagnesowywać się w wysokich temperaturach lub pod wpływem silnych prądów przeciążeniowych.

Bezszczotkowy silnik prądu stałego (BLDC)

Bezszczotkowy silnik prądu stałego eliminuje całkowicie mechaniczny komutator i szczotki. Magnesy trwałe znajdują się na wirniku; stojan przenosi uzwojenia. Sterownik elektroniczny (ESC lub falownik) przełącza prąd przez uzwojenia stojana w określonej sekwencji czasowej, wytwarzając wirujące pole magnetyczne, za którym podąża wirnik z magnesami trwałymi. Bez szczotek nie ma zużycia mechanicznego na interfejsie komutacyjnym , co zapewnia silnikom BLDC znacznie dłuższą żywotność, wyższą wydajność (zwykle 85–95%), niższy poziom szumów elektrycznych i możliwość pracy przy znacznie wyższych prędkościach niż ich odpowiedniki szczotkowe. Silniki BLDC dominują w pojazdach elektrycznych, dronach, sprzęcie HVAC, przemysłowych serwonapędach i elektronarzędziach bezprzewodowych.

Szczotkowe i bezszczotkowe silniki prądu stałego: kluczowe różnice

Sterowanie prędkością w silnikach prądu stałego

Jedną z najcenniejszych cech silników prądu stałego jest łatwość sterowania ich prędkością — właściwość, która sprawiła, że były one preferowanym wyborem w przypadku napędów przemysłowych o zmiennej prędkości na długo przed pojawieniem się nowoczesnej technologii falowników prądu przemiennego. Prędkość silnika prądu stałego jest regulowana równaniem przeciwselektywności elektromagnetycznej:

Prędkość ∝ (Napięcie zasilania - Spadek napięcia na rezystancji twornika) ÷ Strumień magnetyczny

To równanie ujawnia dwie praktyczne metody kontroli prędkości. Kontrola napięcia twornika — zmniejszenie napięcia przyłożonego do twornika — zmniejsza prędkość proporcjonalnie, zachowując pełny strumień pola, zachowując pełny moment obrotowy przy zmniejszonej prędkości. Jest to standardowa metoda dla prędkości poniżej prędkości podstawowej (nominalnej). Osłabienie pola — zmniejszenie prądu pola, a tym samym strumienia — zwiększa prędkość powyżej prędkości podstawowej, ale zdolność przenoszenia momentu obrotowego zmniejsza się proporcjonalnie, ponieważ pole magnetyczne jest słabsze. Razem te dwie metody zapewniają silnikom prądu stałego szeroki zakres kontrolowanej prędkości: zazwyczaj 10:1 lub większy w przemysłowych zastosowaniach napędowych w porównaniu do 2:1 lub mniejszego w przypadku niesterowanych silników indukcyjnych prądu przemiennego bez przetwornicy częstotliwości.

We współczesnej praktyce kontrola prędkości realizowana jest elektronicznie. Sterowniki PWM (modulacja szerokości impulsu) zmieniają efektywne napięcie twornika poprzez szybkie włączanie i wyłączanie zasilania z dużą częstotliwością — stosunek czasu włączenia do czasu wyłączenia (cykl pracy) określa średnie napięcie, a tym samym prędkość. Sterowanie PWM jest bardzo wydajne, ponieważ tranzystory przełączające rozpraszają minimalną energię w porównaniu z metodami rezystancyjnego obniżania napięcia i umożliwiają precyzyjną regulację prędkości za pomocą prostego sprzężenia zwrotnego z obrotomierza lub enkodera na wale silnika.

Gdzie używane są silniki elektryczne prądu stałego

Silniki prądu stałego mają niezwykle szeroki zakres zastosowań, od precyzyjnych przyrządów w skali miliwatów po napędy przemysłowe w skali megawatów:

• Motoryzacja: Nowoczesny samochód osobowy zawiera pomiędzy 30 i 80 małych silników prądu stałego sterowanie szybami, lusterkami, siedzeniami, wycieraczkami, wentylatorami chłodzącymi, pompami paliwa, siłownikami ABS i dmuchawami HVAC. Rozrusznik — szeregowy silnik prądu stałego o wysokim momencie obrotowym — uruchamia silnik w każdym cyklu rozruchu.
• Pojazdy elektryczne: Silniki BLDC i silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (wariant BLDC) zasilają napęd trakcyjny pojazdów elektrycznych akumulatorowych. Tylny silnik Tesli Model 3 to silnik synchroniczny z magnesami trwałymi, wytwarzający ponad 250 kW w kompaktowej, lekkiej obudowie.
• Elektronarzędzia: Wiertarki akumulatorowe, wkrętarki, piły tarczowe i szlifierki kątowe wykorzystują szczotkowane silniki prądu stałego (zakres ekonomiczny) lub BLDC (zakres profesjonalny) zasilane akumulatorami litowo-jonowymi.
• Automatyka i robotyka przemysłowa: Serwonapędy w obrabiarkach CNC, ramionach robotów i sprzęcie do automatycznego montażu wykorzystują silniki BLDC lub bezszczotkowe silniki z magnesami trwałymi z pozycją w pętli zamkniętej i kontrolą prędkości w celu zapewnienia precyzyjnego, powtarzalnego ruchu.
• Elektronika użytkowa: Silniki wrzecionowe dysków twardych, wentylatory chłodzące w komputerach i projektorach oraz silniki wibracyjne w smartfonach to miniaturowe silniki prądu stałego — często BLDC — pracujące w sposób ciągły lub przerywany w zamkniętych urządzeniach.
• Kolej i transport: Silniki trakcyjne serii DC zasilały podziemne sieci kolejowe od ponad wieku. Wiele systemów metra na całym świecie nadal obsługuje infrastrukturę trakcyjną prądu stałego, chociaż nowoczesny tabor coraz częściej wykorzystuje silniki prądu przemiennego zasilane przez falowniki pokładowe.