Silnik BLDC: Niezbędne podstawy

Autor: Dondu

Artykuł z cyklu: Silnik BLDC: Spis treści

Zapewne miałeś już do czynienia z silnikami prądu stałego (DC) i znasz ich zalety oraz wady. Zaleta podstawowa, to fakt, że wystarczy zasilić silnik z odpowiednio wydajnego źródła podłączając je do styków silnika (komutatora) i silnik "rusza z kopyta". Natomiast jedną z najbardziej istotnych wad jest ich zawodność powodowana zużyciem się szczotek oraz pól komutatora.

Silnik BLDC (ang. BrushLess Direct Current motor) jak wskazuje angielska nazwa jest silnikiem bezszczotkowym prądu stałego. Oznacza to, że nie występuje w nim mechaniczny komutator.

Jednakże silnik BLDC bez komutatora nie będzie działać, dlatego też w zastępstwie mechanicznego stosuje się komutator elektroniczny.

W niniejszym cyklu artykułów zajmiemy się przede wszystkim trójfazowymi silnikami BLDC, ze względu na to, iż są najczęściej stosowane w powszechnie dostępnych urządzeniach elektronicznych jak na przykład dyskach twardych, stacjach dyskietek oraz CD/DVD, przez co łatwe do zdobycia "za grosze".


Budowa i działanie

Nie będę się rozpisywał na temat budowy mechanicznej silnika, skupiając się jedynie na najbardziej istotnych elementach oraz zasadzie działania, która jest najważniejszym tematem tego cyklu artykułów.

W zakresie budowy należy zauważyć, że w przeciwieństwie do silników szczotkowych, silniki BLDC posiadają nieruchomy stojan (stator) z uzwojeniami oraz wirujący magnes. Takie rozwiązanie oznacza proste dostarczanie energii do uzwojeń silnika, przez co znacznie prostszą jego konstrukcję i zwiększenie niezawodności.


Działanie

Jak każdy inny silnik DC, także i silnik BLDC działa na zasadzie przyciągania się pola magnetycznego magnesów i elektromagnetycznego generowanego przez uzwojenia silnika. W uproszczeniu zasada jest mniej więcej taka jak zasada działania poniższego "naturalnego urządzenia ciągnącego":

Rys. Zasada działania silnika BLDC (nieco humorystycznie).

Innymi słowy silnik BLDC, musi w jakiś sposób wytwarzać wirujące (przemieszczające się po okręgu) pole elektromagnetyczne, ciągnąc za sobą wirnik wyposażony w magnesy. Jak tego dokonać?

Aby wytworzyć wirujące pole magnetyczne, na stojanie (statorze) powinniśmy umieścić co najmniej dwa uzwojenia ustawione do siebie pod pewnym kątem.

Silniki BLDC mogą mieć różne ilości uzwojeń (faz). Spotykane są silniki dwu-, trzy-, cztero-, a nawet pięciofazowe. Jednakże to właśnie silniki trójfazowe, są bardzo ekonomicznym kompromisem, pomiędzy parametrami mechanicznymi, a kosztami ich budowy wraz ze sterownikiem.

Silnik trójfazowy może być połączony (wewnątrz) w gwiazdę lub trójkąt. Wyciągając silnik z dysku twardego najprawdopodobniej trafisz na silnik połączony w gwiazdę.

Rys. Połączenia wewnętrzne trójfazowego silnika BLDC.
(gwiazda lub trójkąt).

Dla potrzeb niniejszego cyklu artykułów fazy oznaczać będziemy literkami U, V oraz W, w kierunku obrotów zgodnie ze wskazówkami zegara.

Uzwojenia ustawione pod "pewnym kątem"? Konkretnie jakim?

Największą sprawność uzyska silnik, gdy kąty ustawienia cewek uzwojeń będą dzieliły 360° na równe części. Skoro mamy więc trzy uzwojenia (fazy), to silnik powinien mieć je ustawione co:

360° / 3 = 120°

Wygląda to tak:

Rys. Najprostsza wersja silnika trójfazowego.

i odpowiednio dla silnika o czterech fazach:

360° / 4 = 90°

a dla pięciu faz:

360° / 5 = 72°

itd.


Bieguny magnetyczne vs fazy vs tętnienia

Taki silnik jak na powyższym rysunku posiada 3 bieguny magnetyczne. Do kompletu potrzebujemy umieścić w wirniku jeden magnes. który będzie jak osioł podążał za wirującym polem elektromagnetycznym.

Na pewno nie raz miałeś w ręku magnesy i zauważyłeś, że im są bliżej siebie tym mocniej się przyciągają. Podobnie jest w silniku BLDC. Dość duży kąt 120° powoduje, że silnik ma tendencję do tętnień momentu obrotowego, co przekłada się na tętnienia prędkości kątowej.

Im silnik ma mniej faz tym większe tętnienia występują.

Możesz to zauważyć na poniższym rysunku obserwując nierównomierność czerwonych wykresów pokazujących amplitudę tętnień dla silnika BLDC z różną ilością faz:

Rys. Tętnienia momentu elektromagnetycznego w układach 3, 4 i 5 fazowych.

Oprócz tego:

Tętnienia prędkości kątowej są tym większe im mniejsza jest prędkość obrotu i mniejsza bezwładność wirnika.

Z punktu widzenia naszego oka (czy ucha) rzadko kiedy jest to zauważalne, jednakże w  dyskach wszelkiej maści najistotniejsze jest utrzymanie stabilnej prędkości kątowej obrotu dysków. Dlatego, by (między innymi) niwelować zjawisko tętnień, stosuje się stojany z wielokrotnością uzwojeń (biegunów magnetycznych), choć nadal połączonych w trzy fazy.

Poniżej przykład silnika BLDC trójfazowego z 4-krotnie większą ilością biegunów magnetycznych:

Rys. Przykład trójfazowego silnika BLDC (z stacji dyskietek)
z 4-krotną ilością biegunów magnetycznych i magnesów.

W takim przypadku magnes wirnika, także musi mieć odpowiednio więcej magnesów. W praktyce nie stosuje się wielu magnesów, lecz jeden namagnesowany przemiennie (patrz rysunek powyżej). Możesz to sprawdzić rozbierając stację dyskietek i używając małego magnesu policzyć ilość zmian biegunów magnesu wirnika.

Tętnienia oczywiście nie zawsze stanowią problem i zależy to jedynie od wymaganych parametrów urządzenia, w którym silnik BLDC jest używany. Dlatego budując robota, czy samolot tym problemem w większości przypadków nie powinieneś się przejmować.

Wirujące pole elektromagnetyczne

W kilku miejscach artykułu wspomniałem, że aby silnik (z magnesami w wirniku) mógł się kręcić, musimy wytworzyć na stojanie wirujące wokół osi silnika pole elektromagnetyczne. Pole to uzyskamy poprzez dostarczanie prądu do uzwojeń według określonej kolejności zależnej od kierunku, w którym chcemy kręcić silnikiem.

W trójfazowym silniku BLDC, prąd płynie zawsze tylko przez dwa uzwojenia. Trzecie uzwojenie nie jest wykorzystane w danej komutacji.

Jeżeli będziemy podłączać fazy, czyli dokonywać komutacji w następujący sposób:

to efektem będzie ruch obrotowy np. w prawo.

Przy takim przełączaniu faz jak na rysunku powyżej silnik będzie się kręcił, z jakąś prędkością, a my szczęśliwi, że się nam udało :-)

Ale to nie koniec! To dopiero początek!

Proces komutacji i sposobu sterowania silnikiem BLDC jest o wiele bardziej skomplikowany, ale o tym przeczytasz w dalszych częściach cyklu o silnikach BLDC.


Artykuł z cyklu: Silnik BLDC: Spis treści