Współczesne silniki bezszczotkowe i przekładniowe prądu stałego stanowią połączenie najlepszych cech układów napędowych prądu stałego i przemiennego. Podobnie jak w silnikach przemiennoprądowych, w silnikach tych nie ma problemów związanych z obsługą szczotek, ich zanieczyszczaniem się i generowaniem przez nie interferencyjnych pól elektromagnetycznych. Ponadto silniki bezszczotkowe pozwalają na znacznie większy zakres zmian prędkości obrotowej w porównaniu z klasycznymi silnikami przemiennoprądowymi, zasilanymi z przekształtników. Silniki bezszczotkowe są także znacznie cichsze i sprawniejsze cieplnie, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie z nich sporych mocy, przy niewielkich rozmiarach obudów zewnętrznych.
Podsumowując – wymienione wcześniej korzyści przekładają się w praktyce na dłuższą żywotność tych silników, w porównaniu z innymi napędami prądu stałego z magnesami trwałymi. Jeszcze korzystniej wypadają silniki bezszczotkowe w porównaniu z popularnymi silnikami przemiennoprądowymi, zasilanymi z falowników:
- większy moment rozruchowy,
- przewidywalne zachowanie w trakcie pracy (liniowa zależność prędkości i momentu),
- szerszy zakres zmian prędkości obrotowej,
- możliwość zasilania ze źródeł o dużej różnicy wartości napięcia.
Ponieważ silniki bezszczotkowe są w swej konstrukcji podobne do szeroko rozpowszechnionych silników komutatorowych prądu stałego z magnesami trwałymi PMDC, są też coraz częściej preferowane przez użytkowników ze względu na niższą cenę i lepsze parametry pracy. Wraz z postępującym spadkiem cen sterowników i układów automatyki niektóre firmy decydują się nawet na zastąpienie dotychczasowych rozwiązań z silnikami szczotkowymi właśnie nowoczesnymi silnikami bezszczotkowymi. Co prawda niejednokrotnie w zamianach takich stosuje się także silniki przemiennoprądowe z falownikami, jednakże należy pamiętać że mają one znacznie węższy zakres możliwych zmian prędkości obrotowej. Zalety silników bezszczotkowych doceniają również coraz częściej projektanci precyzyjnych układów serwonapędowych.
Silniki bezszczotkowe – hybryda układów stało i przemiennoprądowych
Historycznie pierwszymi dostępnymi na rynku komercyjnym silnikami elektrycznymi były silniki indukcyjne prądu przemiennego. Zwykle mają one wały wykonane w formie odlewu aluminiowego z uzwojeniami na stojanie, które indukują prąd w wirniku wytwarzający z kolei pole magnetyczne niezbędne do poruszania wału. Wraz z postępem technologii elektronicznej i wiedzy o polu magnetycznym na rynku pojawiły się silniki komutatorowe typu PMDC. Stanowią one przeciwieństwo konstrukcyjne silników przemiennoprądowych – uzwojenia robocze są tylko na stojanie, zaś wirnik wykonany jest z magnesów trwałych lub z tzw. uzwojeniami wzbudzenia. Szczotki są elementami wykonanymi z grafitu (mieszanki węgla i miedzi), stykającymi się z tzw. komutatorem, zapewniając kontakt elektryczny uzwojeń ze źródłem zasilania. Komutator jest skonstruowany tak, by w danym momencie prąd płynął przez odpowiednie uzwojenie wirnika, zapewniając jego obrót w żądanym kierunku.
Silniki bezszczotkowe to kombinacja dwóch opisanych rozwiązań. Konstrukcja uzwojeń takiego silnika jest bardzo podobna do konstrukcji znanej z trójfazowych maszyn przemiennoprądowych. Podstawowa różnica tkwi w konstrukcji wirnika, który w silniku bezszczotkowym ma wbudowane magnesy trwałe. Ponadto silnik bezszczotkowy wymaga do poprawnej pracy czujników pozycji wału – takich jak enkodery czy urządzenia bazujące na efekcie Halla. Czujniki te dostarczają odpowiedni sygnał elektryczny dla układu sterującego, który sekwencyjnie zasila trójfazowe uzwojenia stojana, tak by wytworzyć maksymalny w danym momencie ruchu silnika moment obrotowy działający w żądanym kierunku.
Wykorzystanie silników bezszczotkowych i przekładniowych
Gama aplikacji silników elektrycznych jest bardzo szeroka: poczynając od różnego typu wentylatorów aż po złożone maszyny i urządzenia przemysłowe. Istotną kwestią jest zawsze dobór odpowiedniego rodzaju silnika do danej aplikacji. Na przykład w wentylatorach pracujących ze stałą prędkością najczęściej stosuje się tanie silniki indukcyjne prądu przemiennego. Z kolei szybka i precyzyjna frezarka wymaga zastosowania wieloosiowego systemu serwomechanicznego. Silniki bezszczotkowe spotyka się zwykle w aplikacjach, które mieszczą się pomiędzy tymi dwoma skrajnymi przykładami w układach z regulacją prędkości obrotowej i ustawianiem pozycji wału.
Aplikacje z regulacją prędkości to jedyne aplikacje, gdzie silnik obraca się, przy założeniu, że zatrzymanie następuje bardzo rzadko lub wcale. Przykłady: wentylatory, wirówki, taśmociągi czy schody ruchome. Stosuje się tu zwykle klasyczne silniki bezszczotkowe prądu stałego ze względu na ich zdolność uzyskania sporych mocy przy niewielkich rozmiarach oraz wysoką bezawaryjność (rzadki serwis).
Aplikacje pozycjonowania z kolei to zastosowania, w których silnik przemieszcza obciążenie z punktu A do B, jak na przykład drzwi garażowe, taśmy przy kasach w marketach, windy czy roboty przenoszące różne elementy. W dwóch pierwszych przypadkach stosuje się zwykle konwencjonalne silniki przemiennoprądowe z wyłącznikami krańcowymi lub czujnikami fotoelektrycznymi, sterującymi zatrzymaniem silnika. W układach takich dopuszczalne są dość duże tolerancje dokładności pozycji zatrzymania. W windach, w których nie są wymagane duże przyspieszenia, z powodzeniem stosuje się silniki typu PMDC, jednak projektując nowe aplikacje tego typu warto się zastanowić nad wyborem silników bezszczotkowych, które charakteryzowałyby się nieco lepszymi parametrami pracy.
Już dziś dzięki postępowi technologicznemu w elektronice i informatyce, zarysowuje się tendencja do coraz częstszego wykorzystania silników bezszczotkowych w aplikacjach dotąd zdominowanych przez klasyczne układy napędowe – silniki komutatorowe PMDC, szczotkowe układy serwonapędowe i silniki zmiennoprądowe, zasilane z falowników.
Mike Marhoefer
Mike Marhoefer – inżynier elektryk, menedżer działu silników bezszczotkowych prądu stałego w firmie Bodine Electric, w której pracuje od roku 1978, w sekcji badawczo-rozwojowej układów napędowych. Najnowsze prowadzone przez niego prace dotyczą integracji enkoderów i sterowników elektronicznych z silnikami bezszczotkowymi i przekładniowymi.
Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza
