W artykule omówiono podstawy budowy silników komutowanych elektronicznie oraz ich sterowania (modulacja PWM, komutacja, określanie położenia wirnika względem uzwojeń faz stojana).

Silnik elektryczny jest to urządzenie zamieniające energię elektryczną na mechaniczną, na ogół w formie energii ruchu obrotowego. Moment obrotowy powstaje w silniku elektrycznym w związku z oddziaływaniem pola magnetycznego oraz prądu elektrycznego. Wartość siły elektrodynamicznej jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu płynącego w przewodniku i do długości odcinka przewodnika znajdującego się w polu magnetycznym.
Silnik elektryczny zbudowany jest ze stojana (z osadzoną parą albo kilkoma parami uzwojeń elektromagnesów) i wirnika (z uzwojeniem twornikowym). W zależności od prądu dostarczanego wyróżniamy silniki elektryczne prądu stałego i silniki elektryczne prądu zmiennego. Dalszą uproszczoną klasyfikację obrazuje schemat (rys. 1).

Rys. 1. Klasyfikacja silników elektrycznych

Budowa
Silniki EC (rys. 2) to bezszczotkowe silniki prądu stałego o magnesach trwałych, z trapezoidalnym przebiegiem siły elektromotorycznej (SEM, ang. Back Elektromotive Force – BEMF) w funkcji kąta położenia wału i prostokątnym przebiegiem prądu w każdej fazie. Zwane są w skrócie silnikami BLDC (ang. Brushless DC) lub BLPMDCM (ang. Brushless Pemanent Magnet DC Motor).
Jak pokazuje rysunek 1. nazwa ich jest nieco myląca, ponieważ są maszynami synchronicznymi prądu zmiennego. Można je jednak analizować jako maszyny obcowzbudne prądu stałego, gdzie komutator mechaniczny został zastąpiony komutatorem elektronicznym (przekształtnikiem energoelektronicznym).
Brak komutatora mechanicznego skutkuje również stosowaniem w nomenklaturze określenia „silnik bezkomutatorowy”, co jest dodatkowo zwodnicze.
Szczotki, stosowane w silnikach komutatorowych to rodzaj kontaktu elektrycznego pomiędzy dwiema (lub więcej) ruchomymi częściami. Szczotki wymagają stałego docisku, którego siła jest z góry określona dla konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego. Zbyt słaby docisk skutkuje nadmiernym iskrzeniem (spowodowanym łukiem elektrycznym) i przyspieszonym wypalaniem miejsca kontaktu. Zbyt silny docisk powoduje zwiększone straty mocy na tarcie mechaniczne oraz szybsze ścieranie kontaktów.
W miarę pracy urządzenia następuje miarowe zużywanie się szczotek, które co jakiś czas muszą być zamieniane na nowe. W przypadku współpracy z komutatorem również i jego powierzchnia powinna zostać poddawana regularnej konserwacji w celu zniwelowania efektów mechanicznego ścierania i wypalania łukiem elektrycznym. Brak szczotek na komutatorze oznacza przede wszystkim wyeliminowanie najbardziej awaryjnego podzespołu i niewątpliwie najszybciej zużywającego się elementu mechanicznego silnika. Cichsza praca i wyższa sprawność energetyczna (brak strat poślizgu) to dalsze pozytywne skutki. Dodatkową zaletą jest brak wyładowań łukowych, a więc zmniejszenie zakłóceń radioelektrycznych i umożliwienie pracy silnika w środowiskach wybuchowych. Bezawaryjność pracy silnika i jego żywotność są więc zdecydowanie większe. (...)

Rys. 2. Przykładowe silniki EC

Zasada działania (...)

Zasilanie (...)

Zalety (...)

LITERATURA
[1] Rosenberg Klima Polska sp. z o.o. Wytyczne w zakresie zabezpieczenia termicznego oraz regulacji wentylatorów produkcji Rosenberg.
[2] Rosenberg Klima Polska sp. z o.o. Materiały szkoleniowe.
[3] Tomasz SIOSTRZONEK: Bezczujnikowy układ napędowy z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego z magnesami trwałymi (BLPMDCM) sterowany sygnałem proporcjonalnym do modułu prądu źródła – rozprawa doktorska. 2008. Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych.
[4] Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Zakład napędów wieloźródłowych. Materiały edukacyjne.
[5] Portal efektywności energetycznej w napędach elektrycznych (PEMP). http://www.portal.pemp.pl
[6] HANSELMAN D: Brushless permanent magnet motor design. The Writers’ Collective. 2003.
[7] GLINKA T.: Mikromaszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice, 1995.
[8] Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektrotechniki, Zakład Maszyn i Nepędów Elektrycznych. Materiały edukacyjne.
[9] Michał JUSZCZAK: Badanie własności napędów elektrycznych stosowanych w robotyce. Dyplomowa praca magisterska. Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki, Automatyka i Robotyka.
[10] Napęd z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego. Politechnika Gdańska, Laboratorium Automatyki Napędu elektrycznego.
[11] Wikipedia, Wolna Encyklopedia. www.wikipedia.org

AUTOR: Dike BŁOCKA
– Specjalista ds. Rozwoju Biznesu, Rosenberg Klima Polska sp. z o.o.