Kiedy inżynierowie stają przed wyzwaniem zaprojektowania sprzętu elektrycznego do wykonywania zadań mechanicznych, mogą zastanowić się, w jaki sposób sygnały elektryczne są przekształcane w energię. Zatem siłowniki i silniki należą do urządzeń przekształcających sygnały elektryczne w ruch. Silniki wymieniają energię elektryczną na energię mechaniczną.

Najprostszym typem silnika jest szczotkowy silnik prądu stałego. W tego typu silnikach prąd elektryczny przepływa przez cewki umieszczone w stałym polu magnetycznym. Prąd wytwarza pola magnetyczne w cewkach; powoduje to obrót zespołu cewki, gdy każda cewka jest odpychana od podobnego bieguna i ciągnięta w kierunku innego bieguna stałego pola. Aby utrzymać rotację, konieczne jest ciągłe odwracanie prądu — tak, aby polaryzacja cewki stale się zmieniała, powodując, że cewki w dalszym ciągu „gonią” za odmiennymi stałymi biegunami. Zasilanie cewek dostarczane jest poprzez nieruchome szczotki przewodzące, które stykają się z obracającym się komutatorem; to obrót komutatora powoduje odwrócenie prądu płynącego przez cewki. Komutator i szczotki to kluczowe elementy odróżniające szczotkowy silnik prądu stałego od innych typów silników. Rysunek 1 ilustruje ogólną zasadę działania silnika szczotkowego.

Rysunek 1: Działanie szczotkowanego silnika prądu stałego.

Szczotki stałe dostarczają energię elektryczną do obracającego się komutatora. Gdy komutator się obraca, stale zmienia kierunek prądu płynącego do cewek, odwracając polaryzację cewki, tak że cewki utrzymują obrót w prawo. Komutator obraca się, ponieważ jest przymocowany do wirnika, na którym zamontowane są cewki.

Jak sama nazwa wskazuje, bezszczotkowe silniki prądu stałego nie używają szczotek. W silnikach szczotkowych szczotki dostarczają prąd przez komutator do cewek na wirniku. W jaki sposób silnik bezszczotkowy przekazuje prąd do cewek wirnika? Tak się nie dzieje, ponieważ cewki nie są umieszczone na wirniku. Zamiast tego wirnik jest magnesem trwałym; cewki nie obracają się, ale zamiast tego są zamocowane na miejscu na stojanie. Ponieważ cewki się nie poruszają, nie ma potrzeby stosowania szczotek i komutatora. (Patrz rysunek 3.)

W przypadku silnika szczotkowego obrót osiąga się poprzez kontrolowanie pól magnetycznych generowanych przez cewki na wirniku, podczas gdy pole magnetyczne generowane przez magnesy stacjonarne pozostaje stałe. Aby zmienić prędkość obrotową, należy zmienić napięcie cewek. W przypadku silnika BLDC obraca się magnes trwały; obrót uzyskuje się poprzez zmianę kierunku pól magnetycznych generowanych przez otaczające cewki stacjonarne. Aby kontrolować obrót, regulujesz wielkość i kierunek prądu w tych cewkach.

Ponieważ wirnik jest magnesem trwałym, nie potrzebuje prądu, co eliminuje potrzebę stosowania szczotek i komutatora. Sterowanie prądem do cewek stałych odbywa się z zewnątrz.

Silnik BLDC z trzema cewkami na stojanie będzie miał sześć przewodów elektrycznych (po dwa na każdą cewkę) wychodzących z tych cewek. W większości zastosowań trzy z tych przewodów będą połączone wewnętrznie, a trzy pozostałe przewody będą wystawać z korpusu silnika (w przeciwieństwie do dwóch przewodów wystających z silnika szczotkowego opisanego wcześniej). Okablowanie w obudowie silnika BLDC jest bardziej skomplikowane niż zwykłe podłączenie dodatnich i ujemnych zacisków ogniwa zasilającego; Przyjrzymy się bliżej działaniu tych silników w drugiej sesji z tej serii. Poniżej podsumowujemy, przyglądając się zaletom silników by BLDC.

Dużą zaletą jest wydajność, ponieważ silniki te mogą sterować w sposób ciągły przy maksymalnej sile obrotowej (momencie obrotowym). Z kolei silniki szczotkowe osiągają maksymalny moment obrotowy tylko w określonych punktach obrotu. Aby silnik szczotkowy zapewniał taki sam moment obrotowy jak model bezszczotkowy, musiałby zastosować większe magnesy. Dlatego nawet małe silniki BLDC mogą dostarczać znaczną moc.

Drugą dużą zaletą – związaną z pierwszą – jest sterowność. Silnikami BLDC można sterować za pomocą mechanizmów sprzężenia zwrotnego, aby zapewnić dokładnie żądany moment obrotowy i prędkość obrotową. Precyzyjne sterowanie z kolei zmniejsza zużycie energii i wytwarzanie ciepła, a także – w przypadku silników zasilanych akumulatorowo – wydłuża ich żywotność.

Silniki BLDC oferują również wysoką trwałość i niski poziom hałasu elektrycznego, dzięki brakowi szczotek. W silnikach szczotkowych szczotki i komutator zużywają się w wyniku ciągłego ruchomego kontaktu, a także wytwarzają iskry w miejscu kontaktu. W szczególności zakłócenia elektryczne są wynikiem silnych iskier, które zwykle powstają w obszarach, w których szczotki przechodzą przez szczeliny w komutatorze. Z tego powodu silniki BLDC są często uważane za preferowane w zastosowaniach, w których ważne jest unikanie zakłóceń elektrycznych.

Widzieliśmy, że silniki BLDC oferują wysoką wydajność i sterowność oraz długą żywotność. Do czego więc się nadają? Ze względu na swoją wydajność i trwałość są szeroko stosowane w urządzeniach pracujących w trybie ciągłym. Od dawna są stosowane w pralkach, klimatyzatorach i innym sprzęcie elektronicznym; a ostatnio pojawiają się w wentylatorach, gdzie ich wysoka wydajność przyczyniła się do znacznego zmniejszenia zużycia energii.

Wykorzystuje się je także do napędzania maszyn próżniowych. W jednym przypadku zmiana programu sterującego spowodowała duży skok prędkości obrotowej – jest to przykład doskonałej sterowności oferowanej przez te silniki.

Silniki BLDC są również wykorzystywane do obracania dysków twardych, gdzie ich trwałość zapewnia niezawodną pracę dysków w dłuższej perspektywie, a ich wydajność energetyczna przyczynia się do redukcji zużycia energii w obszarze, w którym staje się to coraz ważniejsze.

W przyszłości możemy spodziewać się szerszego zakresu zastosowań silników BLDC. Na przykład prawdopodobnie będą szeroko stosowane do napędzania robotów usługowych – małych robotów, które świadczą usługi w dziedzinach innych niż produkcja. Można by pomyśleć, że silniki krokowe byłyby bardziej odpowiednie w tego typu zastosowaniach, w których można by wykorzystać impulsy do precyzyjnego sterowania pozycjonowaniem. Ale silniki BLDC lepiej nadają się do kontrolowania siły. A w przypadku silnika krokowego utrzymanie pozycji konstrukcji takiej jak ramię robota wymagałoby stosunkowo dużego i ciągłego prądu. W przypadku silnika BLDC wszystko, czego potrzeba, to prąd proporcjonalny do siły zewnętrznej, co pozwala na bardziej energooszczędne sterowanie. Silniki BLDC mogą również zastępować proste silniki szczotkowe prądu stałego w wózkach golfowych i wózkach inwalidzkich. Oprócz większej wydajności silniki BLDC mogą również zapewniać bardziej precyzyjne sterowanie, co z kolei może jeszcze bardziej wydłużyć żywotność baterii.

Silniki BLDC idealnie nadają się również do dronów. Ich zdolność do zapewnienia precyzyjnego sterowania sprawia, że ​​szczególnie nadają się do dronów wielowirnikowych, w których położenie drona jest kontrolowane poprzez precyzyjne kontrolowanie prędkości obrotowej każdego wirnika.

Podczas tej sesji widzieliśmy, jak silniki BLDC oferują doskonałą wydajność, sterowność i trwałość. Aby w pełni wykorzystać potencjał tych silników, niezbędna jest jednak ostrożna i właściwa kontrola. Podczas następnej sesji przyjrzymy się działaniu tych silników.