Wyjaśnienie silników prądu stałego: zasada działania, typy i szczotkowane a bezszczotkowe

Co to jest Silnik prądu stałego i jak to działa

Silnik prądu stałego jest urządzeniem elektromechanicznym, które przekształca energię elektryczną prądu stałego w obrotowy ruch mechaniczny poprzez oddziaływanie pól magnetycznych. Prąd przepływa przez cewkę (twornik lub uzwojenie) umieszczoną wewnątrz pola magnetycznego, a wynikająca z tego siła Lorentza działająca na przewodnik przewodzący prąd wytwarza moment obrotowy, powodując obrót wału.

Zasada działania opiera się na prostej pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy energią elektryczną i magnetyczną: prąd przepływający przez uzwojenie wytwarza własne pole magnetyczne, które oddziałuje z magnesami stałymi (lub uzwojeniami pola) silnika. Ta interakcja wytwarza siłę prostopadłą zarówno do prądu, jak i pola magnetycznego, opisaną przez regułę lewej ręki Fleminga, która wprawia wirnik w ciągły obrót, dopóki płynie prąd, a biegunowość przełącza się we właściwym momencie.

• Stojan: część stacjonarna, albo magnesy trwałe, albo uzwojenia pola elektromagnetycznego
• Wirnik (twornik): obracające się uzwojenie, które przewodzi prąd i wytwarza moment obrotowy
• System komutacji: mechaniczne szczotki/komutator lub przełącznik elektroniczny, w zależności od typu silnika, który odwraca kierunek prądu w celu podtrzymania obrotu

Szczotkowe i bezszczotkowe silniki prądu stałego

Zasadnicza różnica polega na tym, jak prąd jest przełączany wewnątrz silnika: silniki szczotkowe wykorzystują fizyczne szczotki węglowe i mechaniczny komutator, podczas gdy silniki bezszczotkowe wykorzystują elektroniczne sterowniki i czujniki położenia. W szczotkowanym silniku prądu stałego prąd jest dostarczany do wirującego twornika poprzez sprężynowe szczotki, które dociskają do segmentowego komutatora, który mechanicznie odwraca kierunek prądu w miarę obracania się wału.

Bezszczotkowy silnik prądu stałego odwraca ten układ: magnesy trwałe są osadzone na wirniku, a uzwojenia są przymocowane do stojana. Elektroniczny regulator prędkości przełącza prąd przez uzwojenia stojana sekwencyjnie, wykorzystując informacje zwrotne z czujników Halla lub wykrywania przeciwselektywności elektromagnetycznej, aby precyzyjnie ustawić moment każdego przełączenia. Ponieważ z biegiem czasu nie występuje kontakt fizyczny, silniki bezszczotkowe działają znacznie dłużej i działają wydajniej przy danej mocy wyjściowej.

Główne typy silników prądu stałego

Oprócz podziału szczotkowego/bezszczotkowego, silniki prądu stałego dzieli się również na kategorie według sposobu podłączenia uzwojenia wzbudzenia względem twornika, co kształtuje ich moment obrotowy i zachowanie prędkości pod obciążeniem.

• Seria-rana: uzwojenia wzbudzenia i twornika połączone szeregowo; wytwarza bardzo wysoki moment rozruchowy, stosowany w zastosowaniach takich jak rozruszniki i dźwigi
• Uzwojenie bocznikowe: uzwojenie wzbudzenia połączone równolegle ze twornikiem; zapewnia stabilną prędkość przy różnych obciążeniach, dostosowaną do wentylatorów i napędów przenośników
• Uzwojenie złożone: łączy uzwojenia szeregowe i bocznikowe, aby zrównoważyć wysoki moment rozruchowy z rozsądną regulacją prędkości
• Magnes trwały DC (PMDC): wykorzystuje magnesy stałe zamiast uzwojeń wzbudzenia, oferując kompaktową, wydajną konstrukcję powszechnie stosowaną w małych urządzeniach i akcesoriach samochodowych
• Bezszczotkowy prąd stały (BLDC): komutowane elektronicznie, stosowane w dronach, pojazdach elektrycznych, systemach HVAC i precyzyjnym sprzęcie przemysłowym

Zalety silników prądu stałego

Silniki prądu stałego pozostają preferowanym wyborem w wielu zastosowaniach, ponieważ oferują precyzyjną, łatwą do kontrolowania prędkość i moment obrotowy za pomocą prostego schematu sterowania opartego na napięciu . Prędkość jest w przybliżeniu proporcjonalna do przyłożonego napięcia, a moment obrotowy jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu, co sprawia, że ​​sterowanie nimi jest proste i nie wymaga skomplikowanej elektroniki napędowej opartej na częstotliwości – w przeciwieństwie do większości silników prądu przemiennego.

• Wysoki moment rozruchowy, szczególnie w konfiguracjach z uzwojeniem szeregowym, przydatny w warunkach rozruchu przy dużym obciążeniu
• Płynna regulacja prędkości w szerokim zakresie poprzez prostą regulację napięcia PWM
• Kompaktowy stosunek mocy do rozmiaru, szczególnie w konstrukcjach bezszczotkowych i z magnesami trwałymi
• Prosta integracja z systemami prądu stałego zasilanymi bateryjnie i niskonapięciowymi, pozwalająca uniknąć konieczności stosowania falowników prądu przemiennego w sprzęcie przenośnym

Jak wybrać silnik prądu stałego

Wybór odpowiedniego silnika prądu stałego rozpoczyna się od dopasowania wymagań dotyczących momentu obrotowego i prędkości do rzeczywistego obciążenia, a nie tylko napięcia znamionowego. Oblicz wymagany moment obrotowy przy prędkości roboczej, dodaj margines dla warunków rozruchu i obciążenia szczytowego, a następnie sprawdź, czy ciągły moment znamionowy silnika pokrywa tę wartość, nie przekraczając limitów termicznych podczas normalnej pracy.

• Cykl pracy: aplikacje pracujące w trybie ciągłym wymagają silnika przystosowanego do długotrwałego obciążenia termicznego, a nie tylko mocy szczytowej
• Wymagania dotyczące żywotności: silniki bezszczotkowe nadają się do zastosowań wymagających dużej liczby cykli lub wymagających ograniczonej konserwacji; silniki szczotkowe są dopuszczalne w zastosowaniach o niskim obciążeniu i wrażliwych na koszty
• Precyzja sterowania: aplikacje wymagające precyzyjnej kontroli prędkości lub położenia korzystają z silników bezszczotkowych w połączeniu z enkoderami
• Warunki środowiskowe: uszczelnione obudowy lub obudowy o stopniu ochrony IP mają znaczenie w przypadku silników narażonych na kurz, wilgoć lub wibracje
• Ograniczenia dotyczące napięcia i zasilania: dostępne napięcie akumulatora lub napięcie szyny DC powinno odpowiadać znamionowemu zakresowi wejściowemu silnika, aby uniknąć nieefektywnej konwersji zwiększania/zmniejszania wartości