SILNIKI ELEKTRYCZNE PRĄDU STAŁEGO

SILNIKI PRĄDU STAŁEGO

SILNIKI ELEKTRYCZNE PRĄDU STAŁEGO BEZSZCZOTKOWE – SILNIKI EC

To w skrócie silniki BLDC od angielskiej nazwy BrushLess Direct-Current motor i z tą skrótową nazwą najczęściej można spotkać się w DTR urządzeń wentylacyjnych. Choć w przemyśle wentylacyjnym najbardziej popularna nazwa to silnik EC – z angielskiego silniki elektronicznie komutowane. Mądra nazwa do szpanowania, ale póki co dowiedzmy się jak one w ogóle działają i czemu są tak obecnie popularne i tak bardzo promowane.

Jak każdy silnik również silniki BLDC składają się z 2 podstawowych elementów – wirnika i stojana. Wirnik w tym przypadku jest magnesem stałym i jako taki wytwarza stałe pole magnetyczne. Stojan składa się natomiast z kilku par biegunów – w praktyce wyglądają one jak ramiona (tzw. cewki), na które nawinięte jest uzwojenie. Wirnik jest w tym wypadku zewnętrzną częścią silnika, a stojan wewnętrzną, Ok, ale skoro wirnik wytwarza pole magnetyczne stałe, a do stojana również podajemy prąd stały (bo o takim silniku mowa), czyli również mamy pole magnetyczne stałe… to skąd indukcja?

Magnes stały w wirniku, jak każdy magnes ma 2 bieguny S i N. Żeby wirnik wykonał ruch, trzeba go jakoś „pociągnąć”. Stojan robi to wykorzystując prawa fizyki. W przypadku stojana np. 6-biegunowego, żeby wymusić ruch wirnika, podajemy prąd na 1 cewce wytwarzając biegun S, wówczas biegun N wirnika będzie do niej przyciągany. Gdy biegun N już „wita się z gąską”, wówczas przełączamy prąd na kolejną cewkę, a potem kolejną, i tak kółko, dzięki czemu otrzymujemy płynny ruch wirnika, a co za tym idzie, wentylatora. Żeby wspomóc ruch obrotowy dodaje się również napięcie na cewce biegunem wirnika, który „goni” podawany prąd o tym samym biegunie. Dzięki temu „goniący” biegun będzie z jednej strony ciągnięty, a z drugiej popychany.

Idealne zobrazowanie działania tego silnika można znaleźć tu:

https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3310139.html

Wygląda to na rozwiązanie nie tylko genialne w swej prostocie, ale również i bezawaryjne ze względu na niewielką ilość elementów, które mogą ulec uszkodzeniu. Niestety nie jest tak pięknie. Problem stanowi sterowanie przełączaniem prądu na poszczególne cewki – to właśnie ten element „elektronicznej komutacji”. Układ musi „wiedzieć”, w jakim położeniu jest aktualnie wirnik, na które cewki podać zasilanie. Problem powiększa się, kiedy chcemy zwiększyć prędkość obrotową całego wirnika. Wówczas układ musi dostosować przełączanie prądu na cewkach do oczekiwanej przez nas prędkości… Żeby powiadomić układ o położeniu wirnika wykorzystuje się zwykle sensory zwane Hallotronami, które są urządzeniami delikatnymi… Zaczyna się robić skomplikowanie?

Pewnie dlatego silniki BLDC mimo swojej niezawodności, nie należą do najtańszych.

Podsumowując wady i zalety, które wynikają głównie z budowy i zasady działania opisanej powyżej:

WADY:

– cena

– konieczność stosowania czujników położenia

ZALETY:

– prosta budowa – mało elementów mechanicznych, które mogą ulec uszkodzeniu

– niezawodność

– duża sprawność – małe straty energii

– nie nagrzewają się

– cicha praca

SILNIKI SZCZOTKOWE PRĄDU STAŁEGO

W tym przypadku znów głównymi elementami składowymi są wirnik i stojan. Stojan stanowi magnes stały lub elektromagnes, ze względu na możliwe osiągnięcie większego natężenia pola magnetycznego. Stojan jest w tym wypadku zewnętrzną stroną konstrukcji, część wirująca  zlokalizowana jest pomiędzy biegunami magnesu.

Wirnik wygląda już bardziej skomplikowanie i składa się z kilku części – ramki z uzwojeniem (w praktyce zwój drucików przez, które będzie przepływał prąd indukowany między magnesami stojana, uformowany w postaci ramki). Oba końce tej ramki przyczepione są komutatorów.  Ta strasznie brzmiąca nazwa odnosi się do najczęściej wyprofilowanych miedzianych elementów, których zadaniem jest „przełączanie” kierunku prądu w ramce wraz z obrotem całego wirnika. Sekwencja komutatorów, gdyż zawsze występują one w parach, tworzy razem kształt wydrążonego w środku walca. Każdy koniec ramki przyczepiony jest do jednego komutatora – w przypadku, gdy mielibyśmy jedną ramkę, mamy 2 komutatory, każdy wyglądający jak pół przeciętej wzdłuż rury PVC. Komutatorom prąd dostarczają szczotki, którym to ten cały konstrukt zawdzięcza swą nazwę. Każdy z pary komutatorów podłączony jest do innego bieguna prądu – dodatniego i ujemnego.

No i teraz do meritum – jak ta cała kupa złomu ma sprawić, że będzie to się ruszać?

Otóż znów mamy do czynienia z 2 stałymi polami elektromagnetycznymi – od stojana (który jest albo magnesem stałym, albo elektromagnesem, ale zasilanym z tego samego źródła prądu co wirnik – czyli prądem stałym) i od ramki uzwojenia, przez, którą przepływa prąd. Są to, zgodnie z podręcznikową definicją, idealne warunki do powstania siły elektrodynamicznej (to ta siła z lekcji fizyki związana z regułą lewej dłoni). Budowa wirnika jako dwóch połówek rury (komutatory) przyczepionych do osi, do których z kolei podłączona jest ramka, na którą działa siła ciągnąca ją od jednej strony w dół, a z drugiej w górę (ze względu na kierunek przepływu prądu) powoduje ruch obrotowy całego wirnika. Kiedy ramka początkowo w położeniu równoległym do podłoża znajdzie się w pozycji pionowej, już tylko dzięki swojej bezwładności, czy jak kto woli, siłą rozpędu, przeważy powodując dalszy ruch wirnika. A połowa rury podłączona dotychczas do szczotki zasilanej biegunem dodatnim prądu, przeniesie się „pod opiekę” szczotki z biegunem ujemnym. Tym sposobem zmieni się kierunek prądu w ramce, umożliwiając płynny ruch obrotowy.

Najlepiej całą zasadę działania obrazują filmy, których można parę znaleźć na youtube, najlepszy wg mnie z nich w linku poniżej.

Żeby całość urządzenia działała płynnie nie powodując zastojów w ruchu na czas zadziałania bezwładności na ramkę, zwykle w wentylatorach układów ramka-komutatory-szczotki-prąd jest kilka. Same komutatory oddzielone są od siebie izolatorami.

Na rynku można spotkać wiele wariantów silników szczotkowych prądu stałego, różniących się budową, ale ogólna zasada pozostaje bez zmian i myślę, że taka wiedza o działaniu tego silnika jest wystarczająca dla nie-mechaników.

Największą zaletą silników szczotkowych prądu stałego jest bardzo łatwa możliwość zmiany prędkości obrotowej, co w wentylacji hybrydowej, czy sterowanej parametrami pomieszczenia ma bardzo duże znaczenie. Zmianę tę dokonać można przez zmianę napięcia na wirniku lub stojanie, jeśli jest tam zastosowany elektromagnes.

Największą bolączką producentów wentylatorów z takim silnikiem jest połączenie szczotka-komutator. Szczotka zasila komutator prądem, ale nie jest, bo nie może być, podłączona do niego na stałe. Ślizga się po nim stale podczas obrotu wirnika, co powoduje tarcie, z czasem nawet iskrzenie. Tarcie w każdej maszynie powoduje zużywanie się części, a wiadomo, że każdy klient chciałby, żeby jego urządzenie nie zużywało się, tylko pracowało wiecznie, dlatego jest to duża wada tych silników J

https://mechanika-obrobka.pl/silniki-elektryczne-pradu-stalego/

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *