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

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

Budowa silnika DC

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

Gdy prąd elektryczny jest przyłożony do szczotek, przepływa on przez uzwojenia wirnika, tworząc pole magnetyczne wokół wirnika.
Pole magnetyczne oddziałuje ze stacjonarnymi magnesami (trwałymi lub elektromagnesami) umieszczonymi w obudowie silnika, powodując obrót wirnika.
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
Zalety:
Prostota konstrukcji, co prowadzi do niższych kosztów produkcji.
Wysoki moment rozruchowy, dzięki czemu są odpowiednie do zastosowań z częstym uruchamianiem i zatrzymywaniem.
Łatwa kontrola prędkości za pomocą prostej napięcia. Nie wymaga skomplikowanych sterowników.
Możliwość pracy w szerokim zakresie napięć i prądów.
Wytrzymałe i zdolne do obsługi krótkotrwałych przeciążeń.
Wady:
Ograniczona żywotność ze względu na zużycie szczotek i komutatora, co wymaga regularnych czynności konserwacyjnych lub wymiany.
Niższa sprawność w porównaniu do silników bezszczotkowych, co prowadzi do wyższego zużycia energii i generowania ciepła.
Ograniczona prędkość maksymalna z powodu ograniczenia komutatora.
Zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez łuk elektryczny szczotek mogą wpływać na wrażliwe urządzenia elektroniczne.

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
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
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
Zalety:
Wyższa sprawność, prowadząca do niższego
zużycia energii i zmniejszenia wytwarzania ciepła.
Dłuższa żywotność i niższe wymagania konserwacyjne ze względu na brak szczotek.
Mniejsze zakłócenia elektromagnetyczne, dzięki czemu nadają się do wrażliwych zastosowań elektronicznych.
Wysoki stosunek momentu obrotowego do masy – kompaktowe i wydajne konstrukcje.
Wady:
Wyższe koszty inwestycji ze względu na złożoność
sterownika elektronicznego i surowców (magnesy trwałe ziem rzadkich).
Bardziej złożone systemy sterowania, które mogą
wymagać dodatkowej wiedzy specjalistycznej w zakresie projektowania wdrożenia i kontroli jednostki napędowej.
Pewne kwestie techniczne, w tym wibracje przy niższych prędkościach.
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.