Silniki prądu stałego (DC) vs silniki bezszczotkowe (BLDC) - RAVEO PL - World of motion

Silniki prądu stałego (DC) vs silniki bezszczotkowe (BLDC)

Który z nich jest najlepszy dla Twojej aplikacji?

Silniki elektryczne są integralnymi elementami napędzającymi szeroką gamę aplikacji, od sprzętu gospodarstwa domowego po maszyny przemysłowe. Silniki szczotkowe i bezszczotkowe to dwie podstawowe technologie silników, z których każda oferuje różne zalety i wady. Niniejszy artykuł przedstawia szczegółowe porównanie technologii silników szczotkowych i bezszczotkowych, ich budowę, działanie, wydajność, charakterystykę oraz rzeczywiste zastosowania. Analizując kluczowe parametry, takie jak wydajność energetyczna, wymagania dotyczące konserwacji i opłacalność, inżynierowie i projektanci mogą podejmować świadome decyzje przy wyborze odpowiedniej technologii silników dla swoich potrzeb.

PRZEGLĄD TECHNICZNY SILNIKÓW SZCZOTKOWYCH

Silniki szczotkowe, czyli silniki prądu stałego z magnesami trwałymi (PMDC), to podstawowy typ silnika elektrycznego, który był szeroko stosowany przez wiele dekad ze względu na swoją prostotę, niski koszt i łatwość sterowania. W tym krótkim przeglądzie omówimy budowę, działanie, wydajność oraz charakterystykę silników szczotkowych.

Budowa i komponenty: Silnik szczotkowy składa się z kilku kluczowych elementów:

• Wirnik: Wirnik to obracająca się część silnika, zazwyczaj składająca się z wału z nawiniętymi stalowymi laminatami.
• Komutator: Komutator to podzielony, cylindryczny metalowy pierścień zamontowany na obracającym się wale silnika. Działa jako mechaniczny prostownik, odwracając kierunek przepływu prądu w uzwojeniach wirnika podczas jego obrotu.
• Szczotki węglowe: Szczotki węglowe to przewodzące elementy węglowe, które utrzymują kontakt elektryczny z komutatorem. Zazwyczaj są sprężynowe i ślizgają się po komutatorze podczas jego obrotu, dostarczając prąd elektryczny do uzwojeń wirnika.
• Magnesy: Wewnątrz obudowy umieszczone są zestawy magnesów trwałych, które umożliwiają reakcję na naelektryzowane cewki i obrót wirnika.

Schemat: Budowa silnika elektrycznego DC

Zasada działania silnika DC:
Działanie silnika szczotkowego jest stosunkowo proste:

1. Gdy prąd elektryczny jest przyłożony do szczotek, przepływa on przez uzwojenia wirnika, tworząc pole magnetyczne wokół wirnika.
2. Pole magnetyczne oddziałuje ze stacjonarnymi magnesami (trwałymi lub elektromagnesami) umieszczonymi w obudowie silnika, powodując obrót wirnika.
3. Gdy wirnik się obraca, szczotki stykają się z kolejną parą komutatorów, które zasilają sąsiednie uzwojenia silnika, kontynuując obrót wału. Proces ten trwa do momentu odłączenia źródła zasilania i braku przepływu prądu do komutatora.

Charakterystyka wydajności i sprawności:

Ograniczona sprawność:

Ze względu na tarcie między szczotkami i komutatorem, silniki szczotkowe mają zwykle
niższą sprawność w porównaniu do silników bezszczotkowych. Tarcie to powoduje straty energii w postaci ciepła, zmniejszając
ogólną sprawność.

Spadki napięcia:

Silniki szczotkowe mogą doświadczać spadku napięcia na szczotkach i komutatorze, co prowadzi do zmniejszenia osiągów, zwłaszcza przy wyższych prędkościach i obciążeniach.

Kontrola prędkości:

Silniki szczotkowe można łatwo kontrolować poprzez zmianę napięcia wejściowego, co sprawia, nadają się do zastosowań wymagających pracy ze zmienną prędkością. Dzięki zastosowaniu zewnętrznego sterownika z odpowiednim oprogramowaniem firmware, silnik może być precyzyjnie sterowany za pomocą sterownika PLC i jest gotowy na Przemysł 4.0.

Zalety i wady szczotkowych silników DC

Popularne aplikacje w których stosowane są szczotkowe silniki elektryczne DC:

Silniki szczotkowe znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach, w tym:

• Małe urządzenia domowe (np. golarki elektryczne, wentylatory)
• Narzędzia elektryczne (np. wiertarki, piły tarczowe)
• Zabawki i zastosowania hobbystyczne (np. samochody zdalnie sterowane, modele pociągów)
• Zastosowania motoryzacyjne (np. silniki wycieraczek, regulowane spoilery)
• Automatyka budynkowa (np. drzwi wind, drzwi budynków)
• Rolnictwo (np. siewniki, nawozowniki)
• Proste maszyny przemysłowe (np. taśmy transportowe, pompy medyczne)

Podsumowanie: 
Silniki szczotkowe od wielu lat są koniem pociągowym w branży silników elektrycznych. Ich prosta konstrukcja, przystępna cena i łatwość sterowania uczyniły je nadają się do szerokiego zakresu zastosowań. Jednakże, postęp technologiczny doprowadził do powstania silników bezszczotkowych, które oferują lepszą sprawność i trwałość. Podczas gdy silniki szczotkowe nadal służą w w pewnych niszowych zastosowaniach, silniki bezszczotkowe stały się bardziej rozpowszechnione w wielu branżach ze względu na swoje właściwości.

Silnik DC

PRZEGLĄD TECHNICZNY SILNIKÓW BEZSZCZOTKOWYCH

Silniki bezszczotkowe (BLDC) stanowią znaczący postęp w technologii silników elektrycznych, oferując lepszą wydajność, dłuższą żywotność i lepsze osiągi w porównaniu z tradycyjnymi silnikami szczotkowymi.

Budowa i komponenty: Silnik bezszczotkowy składa się z następujących kluczowych elementów:

• Wirnik: Wirnik to obracająca się część silnika, zazwyczaj składająca się z magnesów trwałych przymocowanych do wału silnika lub do magnetycznego piasty.
• Stojan: Stojan to stacjonarna część silnika, która zawiera uzwojenia stojana. Uzwojenia stojana są zazwyczaj trójfazowe, ale w niektórych zastosowaniach dostępne są również konfiguracje dwufazowe i pięciofazowe.
• Kontroler elektroniczny: Kontroler elektroniczny, często mikroprocesor lub specjalizowany kontroler silnika, zarządza przepływem prądu przez uzwojenia stojana na podstawie informacji zwrotnych z czujników (np. czujników Halla lub enkoderów).

Zasada działania bezszczotkowego silnika BLDC:
Działanie silnika bezszczotkowego obejmuje bardziej złożony system sterowania.

1. Sterownik otrzymuje informacje zwrotne z czujników Halla, wykrywających położenie i prędkość wirnika.
2. Na podstawie tego sprzężenia zwrotnego sterownik komutuje uzwojenia stojana, sekwencyjnie zasilając odpowiednie fazy w celu wytworzenia wirującego pola magnetycznego. Jedna strona pary uzwojeń staje się biegunem dodatnim, a druga biegunem ujemnym.
dodatnim, podczas gdy druga staje się biegunem ujemnym.
3. Wirujące pole magnetyczne oddziałuje z magnesami trwałymi na wirniku, powodując jego obrót.
4. Gdy magnes wirnika zbliża się do naładowanego bieguna magnetycznego, następna para uzwojeń zostaje zasilona.

Budowa silnika BLDC

Charakterystyka sprawności i wydajności: Silniki bezszczotkowe oferują kilka kluczowych
zalet:

Wysoka sprawność: Silniki BLDC są bardziej wydajne niż silniki szczotkowe ze względu na brak szczotek i komutatorów.
komutatorów, co prowadzi do zmniejszenia strat energii i wytwarzania ciepła.
Płynna praca: Brak fizycznych szczotek skutkuje płynniejszą pracą i mniejszymi zakłóceniami elektromagnetycznymi.
zakłóceń elektromagnetycznych, dzięki czemu silniki bezszczotkowe idealnie nadają się do precyzyjnych zastosowań.
Zmienna kontrola prędkości: Silniki bezszczotkowe zapewniają precyzyjną kontrolę prędkości za pośrednictwem sterownika elektronicznego,
umożliwiając płynną i dokładną regulację prędkości.
Wysoki stosunek momentu obrotowego do masy: Silniki BLDC oferują wysoki stosunek momentu obrotowego do masy, dzięki czemu nadają się do zastosowań z ograniczeniami wagowymi.

Zalety i wady silników bezszczotkowych BLDC

Zastosowanie silników BLDC
Silniki bezszczotkowe są wykorzystywane w różnych branżach i aplikacjach, w tym:

• Przemysł lotniczy i kosmiczny (np. drony, siłowniki w samolotach)
• Motoryzacja (np. pojazdy elektryczne, układy wspomagania kierownicy)
• Automatyka przemysłowa (np. robotyka, maszyny CNC, AGV, linie pakujące)
• Automatyka budynkowa (np. bramy dostępowe)
• Rolnictwo (np. roboty rolnicze, siewniki)
• Elektronika użytkowa (np. wentylatory komputerowe, dyski twarde)
• Energia odnawialna (np. turbiny wiatrowe, systemy śledzenia słonecznego)

Podsumowanie:

Silniki BLDC stanowią znaczący postęp w technologii silników elektrycznych, zapewniając wyższą sprawność, płynniejsze działanie i lepszą sprawność w porównaniu do silników szczotkowych. Ich precyzyjne sterowanie, mniejsze wymagania wymagania konserwacyjne i dłuższa żywotność sprawiły, że stają się one coraz bardziej popularne w różnych branżach i zastosowaniach. Ponieważ technologia nadal ewoluuje, silniki bezszczotkowe staną się jeszcze jeszcze bardziej rozpowszechnione w różnych dziedzinach ze względu na ich doskonałe właściwości i zalety.