Bezszczotkowe silniki prądu stałego i silniki krokowe mogą przyciągać więcej uwagi niż klasyczny szczotkowany silnik prądu stałego, ale ten drugi może nadal być lepszym wyborem w niektórych zastosowaniach.

Większość projektantów chcących wybrać mały silnik prądu stałego – zazwyczaj jednostkę o mocy mniejszej lub ułamkowej – zazwyczaj początkowo rozważa tylko dwie opcje: bezszczotkowy silnik prądu stałego (BLDC) lub silnik krokowy.Wybór zależy od zastosowania, ponieważ BDLC jest ogólnie lepszy w przypadku ruchu ciągłego, podczas gdy silnik krokowy lepiej nadaje się do pozycjonowania, ruchu tam i z powrotem oraz zatrzymywania/uruchamiania.Każdy typ silnika może zapewnić wymaganą wydajność przy użyciu odpowiedniego sterownika, którym może być układ scalony lub moduł, w zależności od rozmiaru i specyfikacji silnika.Silniki te mogą być napędzane za pomocą „inteligentnych” układów wbudowanych w dedykowane układy scalone sterujące ruchem lub procesora z wbudowanym oprogramowaniem sprzętowym.

Przyjrzyj się jednak bliżej ofercie dostawców silników BLDC, a zobaczysz, że prawie zawsze oferują oni również silniki szczotkowe prądu stałego (BDC), które istnieją „od zawsze”.Ten układ silnika ma długie i ugruntowane miejsce w historii napędów napędzanych elektrycznie, ponieważ był to pierwszy jakikolwiek projekt silnika elektrycznego.Co roku dziesiątki milionów tych silników szczotkowych wykorzystuje się w poważnych i nietrywialnych zastosowaniach, np. w samochodach.

Pierwsze prymitywne wersje silników szczotkowych opracowano na początku XIX wieku, ale zasilanie nawet małego, użytecznego silnika stanowiło wyzwanie.Generatory potrzebne do ich zasilania nie zostały jeszcze opracowane, a dostępne akumulatory miały ograniczoną pojemność, duże rozmiary i nadal musiały być w jakiś sposób „uzupełniane”.Ostatecznie problemy te zostały przezwyciężone.Pod koniec XIX wieku zainstalowano i powszechnie używano szczotkowane silniki prądu stałego o mocy dziesiątek i setek koni mechanicznych;wiele z nich jest nadal używanych.

Podstawowy szczotkowany silnik prądu stałego nie wymaga do działania żadnej „elektroniki”, ponieważ jest urządzeniem samokomutującym.Zasada działania jest prosta i to jest jedna z jego zalet.Szczotkowy silnik prądu stałego wykorzystuje komutację mechaniczną do zmiany polaryzacji pola magnetycznego wirnika (zwanego również twornikiem) w stosunku do stojana.Natomiast pole magnetyczne stojana jest wytwarzane albo przez cewki elektromagnetyczne (historycznie), albo przez nowoczesne, mocne magnesy trwałe (w wielu współczesnych zastosowaniach) (rysunek 1).

Oddziaływanie i powtarzające się odwrócenie pola magnetycznego pomiędzy cewkami wirnika na tworniku a stałym polem stojana wywołuje ciągły ruch obrotowy.Działanie komutacyjne, które odwraca pole wirnika, odbywa się za pośrednictwem styków fizycznych (zwanych szczotkami), które dotykają i dostarczają energię do cewek twornika.Obrót silnika zapewnia nie tylko pożądany ruch mechaniczny, ale także zmianę polaryzacji cewki wirnika niezbędną do wywołania przyciągania/odpychania w stosunku do nieruchomego pola stojana – ponownie nie jest potrzebna żadna elektronika, ponieważ zasilanie prądem stałym jest podawane bezpośrednio do uzwojenia cewki stojana (jeśli występują) i szczotki.

Podstawową kontrolę prędkości osiąga się poprzez regulację przyłożonego napięcia, ale wskazuje to na jedną z wad silnika szczotkowego: niższe napięcie zmniejsza prędkość (co było zamierzone) i radykalnie zmniejsza moment obrotowy, co zwykle jest niepożądaną konsekwencją.Stosowanie silnika szczotkowego zasilanego bezpośrednio z szyn prądu stałego jest ogólnie dopuszczalne jedynie w ograniczonych lub niekrytycznych zastosowaniach, takich jak obsługa małych zabawek i animowanych wyświetlaczy, szczególnie jeśli wymagana jest kontrola prędkości.

Natomiast silnik bezszczotkowy ma szereg cewek elektromagnetycznych (biegunów) zamocowanych wokół wnętrza obudowy, a do obracającego się wału (wirnika) przymocowane są magnesy trwałe o dużej wytrzymałości (rysunek 2).Ponieważ bieguny są kolejno zasilane energią przez elektronikę sterującą (komutacja elektroniczna – EC), pole magnetyczne otaczające wirnik obraca się, przyciągając/odpychając w ten sposób wirnik za pomocą jego nieruchomych magnesów, który jest zmuszony podążać za polem.

Prąd napędzający bieguny silnika BLDC może mieć postać fali prostokątnej, ale jest ona nieefektywna i powoduje wibracje, dlatego w większości projektów wykorzystuje się falę narastającą o kształcie dostosowanym do pożądanej kombinacji wydajności elektrycznej i precyzji ruchu.Co więcej, sterownik może precyzyjnie dostroić kształt fali zasilającej, aby zapewnić szybkie, ale płynne uruchamianie i zatrzymywanie bez przeregulowania i wyraźną reakcję na stany przejściowe obciążenia mechanicznego.Dostępne są różne profile sterowania i trajektorie, które dopasowują położenie i prędkość silnika do potrzeb aplikacji.

Edytowany przez Lisę