Przewodnik po wyborze silnika prądu stałego: moment obrotowy, prędkość, napięcie i zastosowania

Silnik prądu stałego Przewodnik po wyborze: od czego zacząć

Wybór odpowiedniego silnika prądu stałego sprowadza się do czterech liczb: wymagany moment obrotowy, wymagana prędkość, dostępne napięcie zasilania i cykl pracy . Każda inna decyzja – szczotkowana czy bezszczotkowa, rozmiar silnika, przełożenie skrzyni biegów – wynika z podjęcia najpierw prawidłowego wyboru tych czterech. Rozpoczynanie od nominalnej mocy znamionowej silnika, a nie od rzeczywistego zapotrzebowania na obciążenie, jest najczęstszą przyczyną nagrzewania się silników, zatrzymywania się pod obciążeniem lub wczesnego zużycia.

Praktyczna sekwencja doboru uwzględnia najpierw obciążenie mechaniczne, a następnie przekłada je na wymagania elektryczne: należy określić moment obciążenia i prędkość na wale wyjściowym, uwzględnić redukcję w skrzyni biegów, obliczyć moc elektryczną i pobór prądu wymagane przez moment obrotowy, a dopiero potem sprawdzić to pod kątem dostępnego napięcia zasilania i ograniczeń termicznych kandydatów na silniki.

Obliczanie wymagań dotyczących momentu obrotowego i prędkości

Wymagania dotyczące momentu obrotowego zaczynają się od obciążenia mechanicznego: w przypadku obciążenia obrotowego moment obrotowy (w Nm) jest równy sile przyłożonej na promieniu pomnożonej przez ten promień; w przypadku ruchu liniowego za pośrednictwem śruby pociągowej lub paska moment obrotowy wyznacza się na podstawie wymaganej siły podzielonej przez zaletę mechaniczną układu napędowego. Dodaj margines bezpieczeństwa wynoszący około 20–50% powyżej obliczonego momentu obrotowego w stanie ustalonym, aby uwzględnić bezwładność przy rozruchu, straty tarcia i zmiany obciążenia.

Wymagania dotyczące prędkości są zazwyczaj ustalane na podstawie czasu cyklu aplikacji lub szybkości procesu, wyrażonej w obrotach na minutę na wale wyjściowym. Jeśli skrzynia biegów znajduje się pomiędzy silnikiem a obciążeniem, prędkość obrotowa wału silnika musi być prędkością wyjściową pomnożoną przez przełożenie przekładni, a zapotrzebowanie na moment obrotowy silnika spada proporcjonalnie (przed utratą sprawności, która zwykle zmniejsza użyteczny moment obrotowy o 5–15% w zależności od typu skrzyni biegów).

Wybór odpowiedniego napięcia zasilania

Wybór napięcia zależy od źródła zasilania systemu i prądu, jaki może wytrzymać elektronika napędu, a nie od samej prędkości silnika. Dla danej mocy wyjściowej wyższe napięcie oznacza niższy pobór prądu , co pozwala na cieńsze okablowanie, mniejsze złącza i mniejsze straty rezystancyjne – ważny czynnik w przypadku długich kabli lub napędów przemysłowych dużej mocy.

• Sprzęt przenośny i zasilany bateryjnie: zwykle ograniczony do napięcia magistrali prądu stałego 12 V, 24 V lub 48 V
• Linie automatyki przemysłowej: często zasilane napięciem sterującym 24 V lub 48 V lub szynami prądu stałego o wyższym napięciu dla dużych systemów serwo i bezszczotkowych
• Unikaj wybierania silnika o parametrach znamionowych znacznie przekraczających dostępne napięcie zasilania — praca go pod napięciem zmniejsza dostępny moment obrotowy i może powodować nieprawidłową kontrolę prędkości

Silniki prądu stałego w zastosowaniach przemysłowych i automatyce

Sprzęt przemysłowy i automatyka faworyzuje silniki prądu stałego – szczególnie konstrukcje bezszczotkowe – gdzie precyzyjna, powtarzalna kontrola ruchu ma większe znaczenie niż czysta moc wyjściowa. W systemach przenośników, liniach pakujących, napędach osi CNC i sprzęcie do transportu materiałów powszechnie stosuje się bezszczotkowe silniki prądu stałego lub serwosilniki prądu stałego w połączeniu z enkoderami zapewniającymi sprzężenie zwrotne położenia i prędkości w pętli zamkniętej.

• Napędy przenośników i rolek: szczotkowane lub bezszczotkowe silniki prądu stałego dopasowane do wymagań dotyczących momentu obciążenia i prędkości taśmy
• Osie Pick-and-Place i CNC: bezszczotkowe serwomotory DC lub DC zapewniające dokładne i powtarzalne pozycjonowanie
• Pompy i wentylatory w urządzeniach procesowych: silniki PMDC lub BLDC wybrane pod kątem wydajności przy pracy ciągłej
• Zautomatyzowane pojazdy kierowane (AGV) i roboty mobilne: kompaktowe silniki BLDC wybrane ze względu na wysoką gęstość momentu obrotowego i wydajność akumulatora

Zastosowania o wysokim momencie obrotowym i silniki kompaktowe dla robotyki

Zastosowania silników prądu stałego o wysokim momencie obrotowym – dźwigi, wciągarki, siłowniki elektryczne i rozruszniki o dużej wytrzymałości – zazwyczaj wymagają konstrukcji bezszczotkowych z uzwojeniem szeregowym lub o dużej liczbie biegunów, zdolnych do dostarczania dużego momentu obrotowego przy niskich obrotach, często w połączeniu ze skrzynią biegów w celu dalszego zwielokrotnienia momentu obrotowego na wale wyjściowym. W tych zastosowaniach priorytetem jest moment rozruchowy i pojemność cieplna, a nie prędkość maksymalna.

Zastosowania robotyki znajdują się na drugim końcu spektrum: kompaktowe, bezszczotkowe silniki prądu stałego o wysokim momencie obrotowym ze zintegrowanymi enkoderami to standardowy wybór w przypadku siłowników przegubowych i platform mobilnych, gdzie każdy gram wagi i każdy milimetr średnicy obudowy wpływa na ogólną wydajność systemu. Bezrdzeniowe i bezramowe konstrukcje BLDC są coraz częściej stosowane w przegubach robotycznych, szczególnie dlatego, że zmniejszają moment zaczepowy i poprawiają płynność sterowania przy niskich prędkościach.

Silnik prądu stałego kontra silnik prądu przemiennego

Podstawową różnicą jest prostota sterowania w porównaniu z surową skalowalnością: Silniki prądu stałego zapewniają prostą kontrolę prędkości i momentu obrotowego poprzez regulację napięcia i prądu, podczas gdy silniki prądu przemiennego wyróżniają się dużą mocą, ciągłą pracą przy mniejszych wymaganiach konserwacyjnych . Silniki indukcyjne prądu przemiennego dominują w dużych napędach przemysłowych o stałej prędkości — pompach, sprężarkach, dużych wentylatorach — gdzie ich wytrzymałość oraz brak szczotek i magnesów przekładają się na dłuższą żywotność przy dużych poziomach mocy.