Nowoczesne bezszczotkowe silniki prądu stałego
Dzięki znacznemu postępowi w elektronice półprzewodnikowej i technologii tworzenia potężnych magnesów neodymowych bezszczotkowe silniki prądu stałego są dziś szeroko stosowane. Stosowane są w pralkach, odkurzaczach, wentylatorach, dronach itp.
I choć idea zasady działania silnika bezszczotkowego została wyrażona już na początku XIX wieku, to czekała ona w zawrotach głowy do początku ery półprzewodników, kiedy to technologie stały się gotowe do praktycznej realizacji ta interesująca i wydajna koncepcja, która pozwoliła bezszczotkowym silnikom prądu stałego poruszać się tak szeroko, jak dzisiaj. …
W wersji angielskiej nazywane są silnikami tego typu Silnik BLDC — Bezszczotkowe silniki prądu stałego — bezszczotkowy silnik prądu stałego. Wirnik silnika zawiera magnesy trwałe, a uzwojenia robocze znajdują się na stojanie, czyli urządzenie z silnikiem BLDC jest całkowicie przeciwne do tego, co jest w klasycznym silniku szczotkowym. Silnik BLDC sterowany jest za pomocą elektronicznego sterownika tzw ESC — elektroniczny kontroler prędkości - elektroniczny tempomat.
Elektroniczny regulator i wysoka wydajność
Elektroniczny regulator umożliwia płynną zmianę energii elektrycznej dostarczanej do silnika bezszczotkowego. W przeciwieństwie do prostszych wersji rezystancyjnych regulatorów prędkości, które po prostu ograniczają moc poprzez szeregowe podłączenie obciążenia rezystancyjnego do silnika, który przekształca nadmiar mocy w ciepło, elektroniczna regulacja prędkości zapewnia znacznie wyższą wydajność bez marnowania dostarczanej energii elektrycznej na niepotrzebne ogrzewanie. ..
Bezszczotkowy silnik prądu stałego można sklasyfikować jako samosynchronizujący się silnik synchroniczny, gdzie iskrzący węzeł wymagający regularnej konserwacji jest całkowicie wyłączony — kolektor… Funkcję kolektora przejmuje elektronika, dzięki czemu cała konstrukcja produktu jest znacznie uproszczona i bardziej zwarta.
Szczotki zostały faktycznie zastąpione przełącznikami elektronicznymi, których straty są znacznie mniejsze niż w przypadku przełączania mechanicznego. Silne magnesy neodymowe na wirniku pozwalają na większy moment obrotowy na wale. I taki silnik nagrzewa się mniej niż jego poprzednik kolektora.
Dzięki temu sprawność silnika jest najlepsza, a moc na kilogram masy większa, do tego dość szeroki zakres regulacji obrotów wirnika i niemal całkowity brak generowanych zakłóceń radiowych. Konstrukcyjnie silniki tego typu są łatwo przystosowane do pracy w wodzie iw agresywnym środowisku.
Elektroniczna jednostka sterująca jest bardzo ważną i kosztowną częścią bezszczotkowego silnika prądu stałego, ale nie można z niej zrezygnować.Z tego urządzenia silnik otrzymuje moc, której parametry wpływają jednocześnie zarówno na prędkość, jak i moc, jaką silnik będzie mógł rozwinąć pod obciążeniem.
Nawet jeśli nie ma potrzeby regulacji prędkości obrotowej, nadal potrzebna jest elektroniczna jednostka sterująca, która nie tylko pełni funkcję kontrolną, ale ma również element zasilający. Można powiedzieć, że ESC jest analogiem regulator częstotliwości do asynchronicznych silników prądu przemiennegospecjalnie zaprojektowany do zasilania i sterowania bezszczotkowym silnikiem prądu stałego.
Sterowanie silnikiem BLDC
Aby zrozumieć, jak sterowany jest silnik BLDC, przypomnijmy sobie najpierw, jak działa silnik komutatorowy. U podstaw zasada obracania się ramy z prądem w polu magnetycznym.
Za każdym razem, gdy rama z prądem obraca się i znajduje położenie równowagi, komutator (szczotki dociskane do kolektora) zmienia kierunek przepływu prądu przez ramę i ramka jest kontynuowana. Ten proces jest powtarzany, gdy rama przesuwa się od bieguna do bieguna. Tylko w silniku kolektora jest wiele takich ramek i jest kilka par biegunów magnetycznych, dlatego kolektor szczotkowy zawiera nie dwa styki, a wiele.
ECM robi to samo. Odwraca biegunowość pola magnetycznego, gdy tylko wirnik musi odwrócić się od położenia równowagi. Tylko napięcie sterujące nie jest dostarczane do wirnika, ale do uzwojeń stojana, a odbywa się to za pomocą przełączników półprzewodnikowych we właściwym czasie (fazy wirnika).
Oczywiste jest, że prąd do uzwojeń stojana silnika bezszczotkowego musi być dostarczany we właściwym czasie, to znaczy, gdy wirnik znajduje się w pewnym znanym położeniu. Aby to zrobić, użyj jednej z następujących metod.Pierwszy opiera się na czujniku położenia wirnika, drugi polega na pomiarze pola elektromagnetycznego jednej z cewek, która nie jest aktualnie zasilana.
Czujniki są różne, magnetyczne i optyczne, najbardziej popularne są czujniki magnetyczne Efekt Halla… Druga metoda (oparta na pomiarze EMF), choć skuteczna, nie pozwala na precyzyjne sterowanie przy niskich prędkościach i przy rozruchu. Z drugiej strony czujniki Halla zapewniają dokładniejszą kontrolę we wszystkich trybach. W trójfazowych silnikach BLDC występują trzy takie czujniki.
Silniki bez czujników położenia wirnika mają zastosowanie w przypadkach, gdy silnik uruchamia się bez obciążenia wału (wentylator, śmigło itp.). Jeśli rozruch odbywa się pod obciążeniem, wymagany jest silnik z czujnikami położenia wirnika. Obie opcje mają swoje wady i zalety.
Rozwiązanie z czujnikiem staje się wygodniejszym sterowaniem, ale jeśli choć jeden z czujników ulegnie awarii, trzeba będzie rozebrać silnik, dodatkowo czujniki wymagają osobnych przewodów. W wersji bezczujnikowej nie są potrzebne żadne specjalne przewody, ale podczas rozruchu wirnik będzie się kołysał w przód iw tył. Jeśli jest to niedopuszczalne, konieczne jest zainstalowanie czujników w systemie.
Wirnik i stojan, liczba faz
Wirnik silnika BLDC może być zewnętrzny lub wewnętrzny, a stojan odpowiednio wewnętrzny lub zewnętrzny. Stojan jest wykonany z materiału przewodzącego magnetycznie, a liczba zębów jest całkowicie podzielona przez liczbę faz. Wirnik może być wykonany niekoniecznie z materiału przewodzącego magnetycznie, ale koniecznie z mocno przymocowanymi do niego magnesami.
Im silniejsze magnesy, tym większy dostępny moment obrotowy. Liczba zębów stojana nie powinna być równa liczbie magnesów wirnika.Minimalna liczba zębów jest równa liczbie faz kontrolnych.
Większość nowoczesnych bezszczotkowych silników prądu stałego jest trójfazowych, po prostu ze względu na prostotę konstrukcji i sterowania. Podobnie jak w silnikach indukcyjnych prądu przemiennego, uzwojenia trzech faz są tutaj połączone ze stojanem za pomocą „trójkąta” lub „gwiazdy”.
Takie silniki bez czujników położenia wirnika mają 3 przewody zasilające, a silniki z czujnikami 8 przewodów: dwa dodatkowe przewody do zasilania czujników i trzy do wyprowadzenia sygnałów z czujników.
Silniki z wirnikiem zewnętrznym o niskiej prędkości są wykonane z dużą liczbą biegunów (a tym samym zębów) na fazę, aby uzyskać obrót z częstotliwością kątową znacznie mniejszą niż częstotliwość prądu sterującego. Ale nawet w przypadku szybkich silników trójfazowych zwykle nie stosuje się liczby zębów mniejszej niż 9.