Informacje o silnikach szczotkowych i bezszczotkowych

Silnik elektryczny prądu stałego to urządzenie elektryczne, które przekształca energię elektryczną prądu stałego w energię mechaniczną. Praktycznie wszystkie silniki elektryczne prądu stałego mają wewnętrzny mechanizm, elektromechaniczny lub elektryczny, do okresowej zmiany kierunku przepływu prądu. Silniki prądu stałego były pierwszymi powszechnie stosowanymi na świecie. Prędkość silników elektrycznych można regulować w szerokim zakresie poprzez zmianę napięcia lub natężenia prądu w uzwojeniach.

Silnik rozruchowy

Silnik szczotkowy generuje moment obrotowy bezpośrednio z dostarczanej do niego mocy, wykorzystując wewnętrzny komutator, magnesy stacjonarne (stałe lub elektromagnetyczne) i obracające się elektromagnesy.

Zaletami silników szczotkowych są: niski koszt produkcji, wysoka niezawodność i łatwa kontrola prędkości. Wady silników szczotkowych: wysokie koszty utrzymania i krótka żywotność przy wysokim zużyciu.

Silniki szczotkowe mają wysokie koszty utrzymania, wysoką niezawodność i łatwą kontrolę prędkości.

Konserwacja obejmuje regularną wymianę szczotek grafitowych, a także czyszczenie lub wymianę komutatora. Elementy te są ważne dla przesyłania energii elektrycznej do uzwojenia wirnika.

Bezszczotkowy silnik elektryczny

W typowym bezszczotkowym silniku elektrycznym wirnik ma postać magnesów trwałych obracających się wokół stojana z elektromagnesami. Sterownik takiego silnika przetwarza prąd stały na prąd zmienny. Ten typ jest mechanicznie prostszy niż typ szczotkowy, ponieważ eliminuje złożoność przesyłania energii elektrycznej do obracającego się wirnika silnika. Sterownik silnika może śledzić pozycję wirnika za pomocą czujników Halla i może bardzo precyzyjnie kontrolować czasy, fazy itp., a prąd na uzwojeniach wirnika może być wykorzystywany do optymalizacji momentu obrotowego, magazynowania energii, kontrolowania prędkości, a nawet zapewniania pewnego hamowania.

Zaletami silników bezszczotkowych są długa żywotność, brak konieczności konserwacji i wysoka wydajność. Wady silników bezszczotkowych: wysoki koszt produkcji i bardziej złożony kontroler prędkości.

Porównanie szczotkowych i bezszczotkowych silników elektrycznych

Silniki elektryczne szczotkowe zostały wynalezione w XIX wieku i są bardzo powszechne. Dopiero wynalezienie półprzewodników w latach 60. umożliwiło produkcję bezszczotkowych silników prądu stałego.

O komutatorze

W silnikach szczotkowych zespół ten ma postać przełącznika obrotowego na wale silnika zwanego komutatorem. Składa się on z obracającego się cylindra podzielonego na n segmentów (styków) na wirniku. Segmenty te są połączone z uzwojeniami elektromagnesu wirnika. Dwa lub więcej (najczęściej dwa) nieruchome styki zwane "szczotkami", wykonane z miękkiego (w porównaniu do komutatora) przewodnika, stykają się ślizgowo z segmentami na komutatorze. Z każdym półobrotem komutator odwraca kierunek prądu na uzwojeniach wirnika, dzięki czemu pole magnetyczne wytwarza moment obrotowy tylko w jednym kierunku.

Główne wady komutatora:

- Poślizgowy kontakt szczotek z komutatorem powoduje straty energii, co może być znaczącą wadą. - Szczotki zużywają się z powodu tarcia, tworząc pył,z czasem szczotki powinny zostać wymienione.
- Rezystancja styków ślizgowych powoduje spadek napięcia.
- Powtarzające się nagłe zmiany w przepływie prądu przez indukcję uzwojeń powodują iskrzenie styków komutatora i wytwarzanie «hałasu elektrycznego», co może prowadzić do zakłóceń elektromagnetycznych w pobliskich obwodach elektrycznych.

Przy okazji należy zmienić przepływ prądu przez indukcję uzwojeń.

Bezszczotkowe silniki elektryczne zostały stworzone w celu wyeliminowania tych wad.

Bezszczotkowe rozwiązanie

Rozwój półprzewodników w elektronice w latach 70. umożliwił usunięcie komutatora i szczotek w silnikach elektrycznych prądu stałego. W bezszczotkowych silnikach elektrycznych, elektryczny system serwo zastępuje mechaniczny zespół komutatora. Czujniki elektryczne wykrywają kąt wirnika i sterują przełącznikami półprzewodnikowymi, takimi jak tranzystory, które przełączają prąd przez uzwojenia, a także przekierowują prąd (w niektórych silnikach po prostu go wyłączają) w określonych momentach co 180 stopni. W ten sposób elektromagnesy wytwarzają moment obrotowy w jednym kierunku. Wyeliminowanie styków ślizgowych w silnikach elektrycznych umożliwiło pozbycie się elementów zużywających się mechanicznie i wydłużenie żywotności. Żywotność takich silników jest ograniczona jedynie żywotnością ich łożysk.

Dlatego nowoczesne układy wspomagania kierownicy wykorzystują w swojej konstrukcji silniki bezszczotkowe.