Silnik BLDC-

Bezkomutatorowy silnik prądu

stałego

W układach napędowych najczęstsze

zastosowanie znajdują dwa typy

silników z magnesami trwałymi:

- o trapezoidalnym rozkładzie pola
magnetycznego w szczelinie - silnik
bezszczotkowy prądu stałego BLDC,
- o sinusoidalnym rozkładzie pola
magnetycznego w szczelinie - silnik
synchroniczny z magnesami trwałymi
PMSM.

Przebiegi siły elektromotorycznej E, prądu I oraz
momentu T dla jednej fazy, a) silnik o sinusoidalnym
rozkładzie SEM b), typowy silnik o trapezoidalnym
rozkładzie SEM o stałych odcinkach na długości 120°

Bezkomutatorowe silniki prądu stałego

należą do grupy silników

synchronicznych. Oznacza to, że pola

wytwarzane przez uzwojenia stojana i

magnesy trwałe osadzone na wirniku,

poruszają się z tymi samymi

prędkościami. Sposób zasilania faz

silnika jest zależny od sygnałów

sterujących, które generowane są w

oparciu o sygnał sprzężenia zwrotnego

od położenia wirnika. Odpowiednie

zsynchronizowanie ich pozwala

uzyskać stały moment i prędkość

obrotową silnika.

Zastąpienie komutatora mechanicznego

elektronicznym jest powodem wielu zalet

tego silnika. Brak szczotek na

komutatorze oznacza brak wyładowań

łukowych. Powoduje to zmniejszenie

zakłóceń radioelektrycznych i pozwala na

pracę silnika w środowiskach

agresywnych i wybuchowych. Brak

szczotek zwiększa również

bezawaryjność silnika i jego żywotność.

Zaletą zastosowania komutatora

elektronicznego jest możliwość

stosunkowo łatwego kształtowania

charakterystyk silnika (np. można

stabilizować wybrany parametr).

Mimo, że silnik

BLDC jest silnikiem synchronicznym nie

występuje w nim zjawisko utraty synchronizmu

w

przypadku przeciążenia silnika, co jest wadą

innych maszyn synchronicznych. Właściwość

ta wynika ze sposobu generowania wirującego

pola magnetycznego. Pole to jest wytwarzane

w dziedzinie kąta mechanicznego położenia

wirnika względem stojana a nie jak w typowych

maszynach synchronicznych w dziedzinie

czasu.

Budowa

silnika

Budowa silnika BLDC z wirującym magnesem

jest w zasadzie odwróceniem silnika

komutatorowego

z magnesami trwałymi: stojan takiego

silnika jest wykonany z pakietu blach

elektromagnetycznych walcowanych na zimno.

Na obwodzie stojana znajdują się bieguny, na

których umieszczone są konwencjonalne,

koncentryczne uzwojenia. Najczęściej silniki

wyposażone są w dwie lub trzy pary biegunów.

Uzwojenia umieszczone na przeciwległych

biegunach tworzą tzw. „fazy”. Zwiększenie

liczby biegunów nie oznacza zwiększenia liczby

faz.

Wirnik wykonany jest z odpowiednio

ukształtowanego magnesu. Na obwodzie

wirnika silnika BLDC rozłożone

są magnesy trwałe. Aby uzyskać największą

sprawność silnika, do budowy wirnika należy

użyć magnesów trwałych z domieszką ziem

rzadkich. Pociąga to za sobą zwiększenie

nakładów finansowych w porównaniu z

zastosowaniem konwencjonalnych magnesów.

Mechaniczny komutator w silniku BLDC został

zastąpiony elektronicznym przełącznikiem,

którego stan wyjściowy określony jest funkcją

położenia rotora.

Ze względu na liczbę uzwojeń, silniki BLDC

możemy podzielić na jednofazowe, dwufazowe

i trójfazowe. Najbardziej popularne i najszerzej

stosowane są silniki trójfazowe. W

przeciwieństwie do silników jedno czy

dwufazowych silniki trójfazowe zapewniają

ciągłość oddziaływania momentu

napędowego na wirnik. Ponadto pozwalają ze

znacznie większą dokładnością sterować

położeniem

wirnika. Z powodów tych znajdują one coraz

częściej zastosowanie w aplikacjach, które

wymagają dużej precyzji, czyli m.in. takich jak

robotyka.

Dla silników trójfazowych wyróżnić można dwie
metody połączenia uzwojeń stojana:
• gwiazda
• trójkąt (delta)

Sposób połączenia uzwojeń ma wpływ na

metodę sterowania i parametry silnika.

Sterowanie

silnikami z uzwojeniami połączonymi w

gwiazdę jest bardziej skomplikowane niż

silnikami

pracującymi w konfiguracji delta. W

pierwszym wypadku silnik może wymagać

zasilania tylko

dwóch faz, podczas gdy trzecia faza pozostaje

nieobciążona. Warunek ten powoduje, że

układ

logiczny sterujący końcówką mocy staje się

trochę bardziej złożony. Silniki z uzwojeniami

połączonymi w gwiazdę charakteryzują się

większym momentem, mniejszą prędkością

obrotową i mniejszym poborem prądu niż

silniki o uzwojeniach połączonych w trójkąt.

Konfiguracja delta uzwojeń

stojana wymaga obciążenia wszystkich faz

podczas pracy silnika. Trójkątne

połączenie uzwojeń zapewnia większą moc

silnika, większą prędkość obrotową, powoduje

jednak

większy pobór prądu i nagrzewanie się silnika.

Nie stanowi to jednak większego problemu,

ponieważ uzwojenia silnika BLDC zamontowane

są na stojanie silnika co pozwala w łatwy

sposób

odprowadzą nagromadzone ciepło.

Wyróżnić można dwie konstrukcje wirnika:

• z magnesami naklejonymi na
powierzchnię wirnika
• z magnesami umieszczonymi
promieniowo

Liczba biegunów stojana i wirnika

determinuje wiele parametrów silnika. Ich

stosunek określa

krok silnika i wpływa na jakość

wytwarzanego momentu. Większa liczba

biegunów gwarantuje

bardziej równomierne rozłożenie

momentu napędowego a mniejszy krok

pozwala uzyskać

większą moc przy małych prędkościach

obrotowych.

Konstrukcje silników BLDC

Schemat silnika BLDC

Zasada działania silnika o przebiegu

trapezoidalnym jest często odnoszona do

działania silnika prądu stałego. Konwencjonalny

silnik DC składa się z wirnika, który obraca się

w granicach pola magnetycznego stojana

zbudowanego z magnesów trwałych. Przez

zastosowanie komutatora i szczotek, zmiana

znaku prądu jest realizowana automatycznie, co

pozwala na obracanie się wirnika w tym samym

kierunku. Aby zrealizować obrót silnika

bezszczotkowego należy wyeliminować

uzwojenie z wirnika. Zostaje to uzyskane

poprzez

zamianę ról wirnika ze stojanem.

Zasada działania

Moment obrotowy w bezszczotkowym silniku

prądu stałego jest generowany dzięki

oddziaływaniu pomiędzy biegunami stojana a

magnesami trwałymi

umieszczonymi na wirniku. Moment ten określa

następujące równanie:

Te = i *yd+ (Ld -L)*id* i

W powyższym równaniu wykorzystano układ

współrzędnych dq. Układ ten jest układem

prostokątnym i nieruchomym względem

wirnika.

Poniżej przedstawiono transformacje z układu
współrzędnych abc do układu dq:

Na rysunku poniżej przedstawiono ogólną zasadę

generowania momentu w badanym silniku.

Zaznaczono na nich kierunki przepływu prądu w cewkach

w zależności od położenia wirnika

we wszystkich sześciu fazach pracy falownika oraz siły

działające pomiędzy magnesami

trwałymi a biegunami wirnika.

W danej chwili prąd płynie tylko przez dwie fazy.

Taki sposób sterowania i załączania kluczy

falownika jest charakterystyczny dla

bezszczotkowych silników prądu stałego. Posiada

on trapezoidalny rozkład pola magnetycznego w

wyniku, czego przebieg sił elektromotorycznych

w poszczególnych fazach ma kształt

trapezoidalny. Taki kształt przebiegu sił

elektromotorycznej wymusza odpowiednie

załączanie kluczy falownika. Kolejne sekwencje

załączania kluczy falownika powinny być

zmieniane w chwili, gdy przebieg Ezero uzyskuje

maksimum lub minimum. Wraz z rozwojem

techniki mikroprocesorowej poszukiwane są

różne sposoby rozwiązywania tego problemu.

Znaczny wzrost popularności silników
BLDC związany jest z wieloma
zaletami tego typu
maszyn, do których możemy zaliczyć:

• prostą budowę silnika,
• duży stosunek momentu do masy silnika,
• dużą sprawność,
• prosty układ sterowania,
• liniowa charakterystyka mechaniczna
• brak komutatora
• bardzo mała inercja wirnika
• sterowanie w szerokim zakresie prędkości,
• bardzo dokładną regulację prędkości bez
dodatkowych kosztów finansowych,
• wysoki moment rozruchowy,
• niskie koszty obsługi,
• brak szczotek (silnik staje się bardziej cichy,
niezawodny, brak zużywania mechanicznego oraz
przewodzącego pyłu).

Do najczęściej wymienianych wad

tego silnika należą:

- tętnienia momentu elektromagnetycznego,
- wysoki koszt magnesów trwałych
- konieczność stosowania czujników
położenia wału, co w znacznym stopni
wpływa na cenę układu napędowego.