Co to jest silnik bezszczotkowy? Jak to działa, objaśniono schematy i typy DC

Co to jest silnik bezszczotkowy?

Silnik bezszczotkowy to silnik elektryczny, który wytwarza siłę obrotową poprzez elektronicznie komutowane pola magnetyczne, eliminując fizyczne szczotki węglowe i mechaniczny pierścień komutatora stosowane w konwencjonalnych silnikach szczotkowych. Zamiast polegać na przesuwanych stykach elektrycznych do przełączania kierunku prądu przez uzwojenia wirnika, silnik bezszczotkowy wykorzystuje dedykowany sterownik elektroniczny — ESC (elektroniczny regulator prędkości) lub sterownik BLDC — do sekwencjonowania prądu przez nieruchome uzwojenia stojana w precyzyjnym taktowaniu z pozycją wirnika. Sam wirnik jest wyposażony w magnesy trwałe i nie ma żadnych połączeń elektrycznych.

Ta zmiana architektury ma trzy bezpośrednie konsekwencje. Po pierwsze, nie ma tarcia ani wyładowania łukowego szczotek – dominującego źródła ciepła, zużycia i utraty wydajności w konstrukcjach szczotkowych. Po drugie, uzwojenia wytwarzające ciepło znajdują się na stojanie, który styka się bezpośrednio z obudową silnika i może być chłodzony pasywnie lub aktywnie; w silniku szczotkowym ciepło gromadzi się wewnątrz wirującego wirnika, gdzie trudno je rozproszyć. Po trzecie, czas komutacji można zoptymalizować w oprogramowaniu dla dowolnych warunków pracy, umożliwiając silnikowi pracę z maksymalną wydajnością w szerokim zakresie prędkości obrotowych i obciążenia. Silniki bezszczotkowe zwykle osiągają sprawność 85–95%. w porównaniu z 75–80% w przypadku równoważnych wzorów szczotkowanych.

Termin „silnik bezszczotkowy” najczęściej odnosi się do bezszczotkowego silnika prądu stałego (BLDC), który jest zasilany napięciem prądu stałego i wykorzystuje komutację elektroniczną w celu przybliżenia wirującego pola magnetycznego silnika prądu przemiennego. Bezszczotkowe silniki prądu przemiennego — w tym silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM) — działają na tej samej zasadzie fizycznej, ale są napędzane sinusoidalnymi przebiegami prądu przemiennego, a nie trapezoidalnym przełączaniem prądu stałego. W codziennym użyciu „silnik bezszczotkowy” i „silnik BLDC” są używane zamiennie w elektronice użytkowej, elektronarzędziach, dronach, pojazdach elektrycznych i automatyce przemysłowej.

Schemat a Bezszczotkowy silnik prądu stałego : Struktura wewnętrzna

Zrozumienie schematu bezszczotkowego silnika prądu stałego wymaga zidentyfikowania pięciu elementów funkcjonalnych: stojana, wirnika, magnesów trwałych, czujników Halla i sterownika zewnętrznego. W przeciwieństwie do schematu silnika szczotkowego – który przedstawia szczotki dociskające segmentowy pierścień komutatora na wirującym wale – schemat BLDC pokazuje całą złożoność elektryczną nieruchomego korpusu zewnętrznego, z prostym zespołem magnesu obracającym się wewnątrz lub na zewnątrz.

Stojan (uzwojenia stacjonarne)

Stojan to stała konstrukcja zewnętrzna silnika BLDC typu Inrunner (lub pierścień wewnętrzny w silniku Outrunner). Składa się z laminowanych rdzeni ze stali krzemowej — wytłoczonych w geometrię gwiazdy lub wydatnego bieguna — nawiniętych miedzianymi cewkami ułożonymi w trzy fazy: fazę A, fazę B i fazę C. Te trzy fazy są połączone albo w konfiguracji gwiazdy (Y), gdzie wszystkie trzy uzwojenia mają wspólny punkt neutralny, albo w konfiguracji delta (Δ), gdzie uzwojenia łączą się od końca do końca w trójkąt. Okablowanie w gwiazdę jest bardziej powszechne w silnikach BLDC, ponieważ wytwarza wyższy moment obrotowy przy niskich obrotach i upraszcza konstrukcję sterownika; Jeśli priorytetem jest maksymalna moc o dużej prędkości, preferowane jest okablowanie w kształcie trójkąta.

Liczba żłobków stojana i biegunów wirnika określa zasadniczy charakter silnika. Konfiguracja z 12 gniazdami i 14 biegunami (powszechna w silnikach dronów) zapewnia płynny moment obrotowy przy niskim poziomie zębów. Konstrukcja z 9 gniazdami i 12 biegunami jest popularna w elektronarzędziach ze względu na równowagę pomiędzy gęstością momentu obrotowego i prostotą produkcji. Liczba szczelin i biegunów określa również częstotliwość cykli elektrycznych — 14-biegunowy silnik wykonuje 7 cykli elektrycznych na obrót mechaniczny, co oznacza, że ​​jego sterownik musi przełączać prąd 7 razy szybciej na obrót wału niż silnik 2-biegunowy przy tych samych obrotach.

Wirnik (magnesy trwałe)

W silniku BLDC typu inrunner — co jest standardową konfiguracją w elektronarzędziach, dyskach twardych i większości silników przemysłowych — wirnik jest umieszczony wewnątrz otworu stojana. Składa się ze stalowego wału z magnesami trwałymi zamontowanymi na jego powierzchni lub osadzonymi w jego powierzchni. Wirniki magnetyczne do montażu powierzchniowego (SPM) są prostsze w produkcji i dominują w tańszych konstrukcjach; wewnętrzne wirniki z magnesami trwałymi (IPM) osadzają magnesy wewnątrz warstw wirnika, umożliwiając wyższy moment reluktancyjny i lepsze osłabienie strumienia w rozszerzonych zakresach prędkości. W silnikach trakcyjnych pojazdów elektrycznych niemal powszechnie stosuje się konstrukcje wirników IPM.

Silniki Outrunner BLDC odwracają tę geometrię: zespół magnesów trwałych obraca się wokół zewnętrznej strony nieruchomego stojana. Daje to motocyklistom większe ramię momentowe do generowania momentu obrotowego i sprawia, że ​​w naturalny sposób nadają się do zastosowań z napędem bezpośrednim — śmigła do dronów i elektryczne silniki w piastach rowerowych przenoszą ładunek bezpośrednio na obracającą się skorupę zewnętrzną, eliminując skrzynie biegów. Wyprzedzacze produkują wyższy moment obrotowy przy niższych obrotach niż równoważne biegacze, podczas gdy biegacze obracają się szybciej i są lepiej dopasowani do zastosowań wymagających dużych prędkości i nastawionych na odpowiedni sprzęt.

Czujniki efektu Halla

Większość silników BLDC zawiera trzy czujniki efektu Halla zamontowane w stojanie w odstępach 120° (lub 60° w niektórych konfiguracjach). Każdy czujnik wykrywa pole magnetyczne przechodzących magnesów wirnika i wysyła sygnał binarny – wysoki lub niski – w zależności od tego, czy sąsiaduje biegun północny czy południowy. Trzy czujniki razem generują 3-bitowy kod pozycji (np. 101, 001, 011, 010, 110, 100), który przechodzi przez sześć unikalnych stanów na cykl elektryczny, zapewniając sterownikowi wystarczającą rozdzielczość położenia, aby określić, która faza stojana ma zostać zasilona w dowolnym momencie. Oto sedno logiki komutacji silnika bezszczotkowego: Wyjście czujnika Halla → sterownik dekoduje położenie wirnika → przełącza właściwą parę faz .

Bezczujnikowe silniki BLDC całkowicie pomijają czujniki Halla i zamiast tego wykrywają położenie wirnika poprzez monitorowanie siły elektromotorycznej (back EMF) generowanej w uzwojeniu fazowym nienasilonym, gdy magnesy wirnika przesuwają się obok. Konstrukcje bezczujnikowe są prostsze, bardziej kompaktowe i tańsze — dominują w dronach, wentylatorach chłodzących komputery i urządzeniach domowych — ale wymagają, aby wirnik już się obracał, zanim wykryje się wsteczne pole elektromagnetyczne. Właśnie dlatego silniki bezczujnikowe wymagają sekwencji rozruchowej (wymuszona komutacja w pętli otwartej) przed przełączeniem na śledzenie EMF w pętli zamkniętej i dlatego mogą wahać się lub nie uruchomić niezawodnie pod dużym obciążeniem.

Jak działają silniki bezszczotkowe: sekwencja komutacji

Zasada działania silnika bezszczotkowego polega na przyciąganiu i odpychaniu elektromagnetycznym pomiędzy przełączalnymi elektromagnesami stojana i stałymi magnesami trwałymi wirnika. Sterownik w sposób ciągły wytwarza wirujące pole magnetyczne w stojanie, zasilając uzwojenia w określonej kolejności; Magnesy trwałe wirnika ścigają to pole wirujące, przekształcając moment magnetyczny w mechaniczny obrót wału.

W trójfazowym silniku BLDC z komutacją trapezową – standardowe podejście w przypadku silników wyposażonych w czujnik Halla – w dowolnym momencie tylko dwie z trzech faz są zasilane. Sześciostopniowa sekwencja komutacji sterownika działa w następujący sposób:

1. Krok 1: Faza A dodatnia, Faza B ujemna, Faza C wyłączona. Powstałe pole magnetyczne przyciąga najbliższy magnes wirnika w kierunku pary biegunów stojana AB.
2. Krok 2: Faza A dodatnia, Faza C ujemna, Faza B wyłączona. Pole obraca się elektrycznie o 60°; wirnik podąża za nim.
3. Krok 3: Faza B dodatnia, Faza C ujemna, Faza A wyłączona. Pole obraca się o kolejne 60°.
4. Krok 4: Faza B dodatnia, Faza A ujemna, Faza C wyłączona. Rotacja trwa.
5. Krok 5: Faza C dodatnia, Faza A ujemna, Faza B wyłączona.
6. Krok 6: Faza C dodatnia, Faza B ujemna, Faza A wyłączona. Ukończony jeden pełny cykl elektryczny; sekwencja się powtarza.

Każdy stopień utrzymuje pole pod napięciem nieco przed bieżącym położeniem wirnika – jak marchewka stale przed wirnikiem. Wirnik nigdy nie nadrabia zaległości, gdyż gdy tylko zbliży się do aktualnej pozycji pola, sterownik przechodzi do kolejnego kroku. Prędkość jest kontrolowana poprzez zmianę napięcia przyłożonego do uzwojeń , zazwyczaj poprzez PWM (modulację szerokości impulsu) na przełącznikach strony wysokiego napięcia mostka trójfazowego falownika sterownika. Moment obrotowy jest kontrolowany przez wielkość prądu fazowego. Związek między tymi dwiema zmiennymi – i ich optymalizacja w czasie rzeczywistym – jest tym, co oddziela podstawowy sterownik BLDC od wyrafinowanego systemu sterowania zorientowanego na pole (FOC).

Sterowanie zorientowane na pole a komutacja trapezowa

Komutacja trapezowa przełącza się gwałtownie pomiędzy sześcioma stopniami, wytwarzając tętnienie momentu obrotowego – okresową zmianę wyjściowego momentu obrotowego – z sześciokrotną częstotliwością elektryczną. Przy niskich prędkościach to tętnienie powoduje słyszalny hałas i wibracje; przy dużych prędkościach staje się to pomijalne. Sterowanie zorientowane na pole (FOC), zwane także komutacją sinusoidalną lub sterowaniem wektorowym, przykłada stale zmieniające się prądy sinusoidalne do wszystkich trzech faz jednocześnie, tworząc idealnie gładkie wirujące pole magnetyczne. Rezultatem jest Tętnienia momentu obrotowego bliskie zeru, cichsza praca i wydajność wyższa o 5–15%. przy częściowych obciążeniach. FOC wymaga większej mocy obliczeniowej (mikrokontroler DSP lub ARM Cortex pracujący z częstotliwością kilkudziesięciu MHz) i precyzyjnego wykrywania prądu we wszystkich trzech fazach, dlatego jest standardem w elektronarzędziach klasy premium, pojazdach elektrycznych i przemysłowych serwonapędach, ale jest mniej powszechny w produktach konsumenckich wrażliwych na koszty.

Silnik bezszczotkowy a silnik szczotkowy: różnice w wydajności, które mają znaczenie

Schemat bezszczotkowego silnika elektrycznego w porównaniu ze schematem silnika szczotkowego ukazuje zasadniczy kompromis: silniki szczotkowe są mechanicznie samokomutujące (prostsza elektronika napędu, niższy koszt systemu), podczas gdy silniki bezszczotkowe przenoszą złożoność na sterownik i uzyskują w zamian znaczne korzyści w zakresie wydajności.

Wyładowania łukowe szczotek są szczególnie istotne w zastosowaniach, w których problemem są zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) – urządzenia medyczne, precyzyjny sprzęt pomiarowy i systemy RF. Komutator silnika szczotkowego generuje szerokopasmowy szum elektryczny w całym spektrum częstotliwości, który może być sprzęgany z pobliskimi czułymi obwodami. Z kolei silniki bezszczotkowe wytwarzają szum przełączania tylko na częstotliwości PWM i jej harmonicznych — możliwe do opanowania, przewidywalne źródło zakłóceń, które można filtrować za pomocą standardowych komponentów tłumiących zakłócenia elektromagnetyczne.

Kluczowe dane techniczne w arkuszu danych bezszczotkowego silnika prądu stałego

Wybór bezszczotkowego silnika prądu stałego do danego zastosowania wymaga interpretacji kilku niezależnych specyfikacji, które nie pojawiają się w arkuszach danych silnika szczotkowego. Zrozumienie tych liczb zapobiega błędnym zastosowaniom — zwłaszcza niedoszacowaniu wymagań sterownika, co jest najczęstszym błędem specyfikacji w projektowaniu układów silników bezszczotkowych.

• Wartość KV (RPM/V) — Prędkość bez obciążenia wytwarzana przez silnik na wolt przyłożonego prądu stałego, bez konieczności konwersji jednostek. Silnik 1000 KV przy napięciu 12 V obraca się z prędkością około 12 000 obr./min bez obciążenia. Wyższy KV = szybszy, niższy moment obrotowy; niższy KV = wolniejszy, wyższy moment obrotowy. Silniki napędowe dronów mają zazwyczaj napięcie od 300 KV (duże, wolne śmigła) do 2500 KV (małe, szybkie śmigła).
• Prąd ciągły i szczytowy (A) — Prąd ciągły to trwałe obciążenie, które silnik może obsłużyć bez przegrzania; prąd szczytowy to chwilowe maksimum podczas przyspieszania lub przeciągnięcia. Prąd znamionowy sterownika musi przekraczać prąd szczytowy silnika — niedowymiarowanie ESC powoduje awarię FET podczas gwałtownego przyspieszania.
• Rezystancja fazowa (mΩ) — Rezystancja uzwojenia pomiędzy dowolnymi dwoma zaciskami fazowymi. Niższa rezystancja oznacza mniejsze straty miedzi (nagrzewanie I²R) przy danym prądzie, ale oznacza także wyższy prąd utyku, który może uszkodzić sterownik, jeśli nie jest ograniczony prądem.
• Stały moment obrotowy (Nm/A) — Wyjściowy moment obrotowy wytwarzany na amper prądu fazowego, bezpośrednio powiązany z KV poprzez odwrotną zależność Kt = 60/(2π × KV). Liczba ta określa, ile prądu wymaga aplikacja przy maksymalnym zapotrzebowaniu na moment obrotowy.
• Liczba biegunów — Wymagane przez sterownik do obliczenia prawidłowej częstotliwości komutacji. 14-biegunowy silnik pracujący z prędkością 3000 obr./min wymaga, aby sterownik wykonał 7 × 3000/60 = 350 cykli elektrycznych na sekundę – co najmniej 2100 zdarzeń przełączania na sekundę w komutacji trapezowej.
• Sensoryczne vs bezczujnikowe — Czy silnik jest wyposażony w czujniki efektu Halla. Silniki z czujnikami wymagają sterownika z wejściami czujnika Halla; silniki bezczujnikowe wymagają sterownika z wykrywaniem wstecznego pola elektromagnetycznego. Mieszanie tych elementów — uruchamianie silnika z czujnikiem na sterowniku bez czujnika — skutkuje zawodnym rozruchem i potencjalnym rozmagnesowaniem.

Gdzie stosowane są silniki bezszczotkowe: zastosowania według sektorów

W ciągu ostatnich dwudziestu lat silniki bezszczotkowe wyparły konstrukcje szczotkowe w praktycznie wszystkich zastosowaniach, w których wydajność ma kluczowe znaczenie, w ciągu ostatnich dwudziestu lat, co było napędzane spadającymi kosztami sterowników oraz zapotrzebowaniem na dłuższe okresy międzyobsługowe i większą gęstość mocy.

Elektronika użytkowa i sprzęt AGD

Silniki wrzecionowe do dysków twardych były jednymi z pierwszych bezszczotkowych zastosowań na rynku masowym — precyzyjna kontrola prędkości i wymagania dotyczące długiej żywotności wrzecion HDD sprawiły, że silniki szczotkowe od samego początku były niepraktyczne. Obecnie wentylatory chłodzące do komputerów PC, elektrobębny pralek, odkurzacze automatyczne i elektronarzędzia bezprzewodowe wykorzystują w standardzie silniki BLDC. Wysokiej klasy wiertarka akumulatorowa z silnikiem bezszczotkowym zapewnia 25–50% dłuższy czas pracy na jednym ładowaniu w porównaniu ze szczotkowanym odpowiednikiem tego samego napięcia, ponieważ wyższa wydajność przekształca więcej energii akumulatora w użyteczną pracę, a nie ciepło.

Drony i zastosowania RC

Drony wielowirnikowe są całkowicie zależne od silników BLDC typu outrunner — zazwyczaj trójfazowych, bezczujnikowych i z napędem bezpośrednim — do wytwarzania ciągu. Połączenie wysokiego stosunku mocy do masy, precyzyjnej elektronicznej kontroli prędkości i braku szczotek wymagających konserwacji sprawia, że ​​BLDC jest jedyną realną technologią napędu dla UAV konsumenckich i komercyjnych. Typowy 5-calowy silnik drona wyścigowego FPV (rozmiar ramy 2306, 2400 KV) waży poniżej 35 g i wytwarza ponad 1 kg ciągu przy prądzie szczytowym – czyli gęstość mocy, której nie mogą osiągnąć silniki szczotkowe.

Pojazdy elektryczne

Silniki trakcyjne EV to głównie konstrukcje BLDC (lub PMSM) z magnesami trwałymi z wewnętrznymi magnesami, sterowane przez falowniki FOC pobierające energię z zestawu akumulatorów wysokiego napięcia. Tylny silnik Tesli w Modelu 3 ma konstrukcję z przełączaną reluktancją, ale przedni silnik to silnik PMSM — wybrany ze względu na jego wydajność w pełnym zakresie prędkości podczas jazdy po autostradzie. W BMW i3 i większości modeli Hyundai/Kia EV zastosowano silniki IPM BLDC. Szczytowa moc wyjściowa waha się od 150 kW w kompaktowych pojazdach elektrycznych do ponad 500 kW w zastosowaniach wymagających dużej mocy, a wszystko to jest zarządzane przez trójfazowe falowniki klasy motoryzacyjnej z precyzją przełączania na poziomie mikrosekund.

Automatyka Przemysłowa i Robotyka

Serwomotory w obrabiarkach CNC, ramionach robotów i systemach przenośników są prawie wyłącznie bezszczotkowe — połączenie sterowania FOC, enkoderów o wysokiej rozdzielczości i sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej zapewnia dokładność pozycjonowania z dokładnością do mikronów i regulację prędkości z dokładnością do 0,01% przy zmianach obciążenia. W środowiskach, w których występują wybuchowe gazy lub drobny pył (przetwórstwo zboża, zakłady chemiczne, górnictwo) silniki bezszczotkowe z uszczelnionymi obudowami eliminują ryzyko zapłonu w wyniku wyładowania łukowego szczotek, kwalifikując je do certyfikatów ATEX i IECEx dla lokalizacji niebezpiecznych, których silniki szczotkowe nie są w stanie spełnić.