Silniki elektryczne prądu stałego są niezbędnymi komponentami w różnych urządzeniach wykorzystywanych w zastosowaniach przemysłowych. Występują głównie w dwóch wariantach: silniki szczotkowe DC i silniki bezszczotkowe DC (BLDC). W zależności od zastosowania różne firmy wybierają jeden z tych silników. Poznanie różnic między nimi pomaga firmom i technikom znaleźć i wybrać najlepszy.

Znaczenie zrozumienia kluczowej różnicy między silnikami szczotkowymi i BLDC

Podobnie jak nie można używać silnika prądu przemiennego, w którym wymagana jest kontrola nad obrotami na minutę i momentem obrotowym, nie można używać silnika prądu stałego szczotkowego, w którym silnik prądu stałego bezszczotkowego może zapewnić bardziej wydajne wyjście. Oba silniki, chociaż działają na prąd stały, mają różne kluczowe różnice, które sprawiają, że nadają się do różnych zastosowań.

Oba te silniki mają swoje zalety i wady. W zależności od ich zalet i wad możesz wybrać odpowiedni po przeanalizowaniu, gdzie zamierzasz go używać. To wymagania aplikacji pomogą Ci zdecydować, czy silnik szczotkowy DC czy BLDC będzie odpowiedni.

Kluczowa różnica w stosunku do nazw obu silników opiera się na komutatorach. Silniki prądu stałego szczotkowego mają zwykle szczotki węglowe, które są używane jako komutatory. W silnikach BLDC komutatory są elektroniczne, a nie mechaniczne, jak w silnikach szczotkowych.

W tym artykule poznasz kluczowe różnice między tymi dwoma silnikami. Ta wiedza pomoże Ci wybrać najlepszy z nich, aby Twoja praca była bardziej kontrolowana, płynniejsza i wydajniejsza.

Silniki prądu stałego szczotkowe

Wszystkie maszyny mechaniczne są zbudowane z połączenia różnych części mechanicznych. Tak jest w przypadku silników szczotkowych i BLDC. Gdy rozważa się konstrukcję silników szczotkowych, można w nich używać uzwojenia cewki z drutów wokół rdzenia żelaznego, aby wytworzyć pole magnetyczne. Cewki te obracają się swobodnie i napędzają wał silnika. Cały ten zestaw nazywa się „wirnikiem”. Można również znaleźć bezrdzeniowe silniki szczotkowe DC. Gdy rdzeń jest nieobecny, uzwojenie jest samonośne, ponieważ rdzeń służy do podtrzymywania uzwojeń.

Wirnik jest elementem obrotowym, podczas gdy część stała nazywana jest stojanem. Stan utrzymuje magnesy trwałe w środku. Utrzymuje to stałe pole magnetyczne statyczne i utrzymuje wirnik w środku.

Trzecim głównym elementem jest komutator. Moment obrotowy powstaje w wyniku obrotu spinu. Aby wytworzyć pole magnetyczne w wirniku, potrzebny jest prąd. Komutator jest zamocowany między szczotkami, które są zamocowane wokół niego na stojanie. Komutator działa jak przełącznik i stale przełącza różne uzwojenia, aby włączać i wyłączać, co utrzymuje wirnik w ciągłym ruchu obrotowym.

Obrót silnika szczotkowego następuje, gdy prąd stały jest przyłożony, tworzy on pole magnetyczne w wirniku, które odpycha stałe pole magnetyczne stojana i powoduje obrót wału. Ponadto użycie mostka H pomaga w kontrolowaniu prędkości, momentu obrotowego, przyłożonego napięcia i, co najważniejsze, kierunku obrotu.

Silniki prądu stałego bezszczotkowe

Chociaż działanie silników bezszczotkowych DC jest takie samo jak silników szczotkowych DC, to jest to zasada odpychania i przyciągania pola magnetycznego między wirnikiem a stojanem. Ale ich konstrukcja jest inna. To odróżnia silniki BLDC od silników szczotkowych.

Budowa wirnika i stojana jest odwrotna do silników spieszonych. Wirnik w BLDC ma magnes trwały, a stojan ma cewki uzwojenia przeciwne do silników szczotkowych. Tak więc komutator tutaj w BLDC jest elektryczny, a nie mechaniczny jak w silnikach szczotkowych.

Inną różnicą w konstrukcji jest liczba faz. Fazy są w rzeczywistości jednostkami uzwojenia stojanów. Liczba jednostek uzwojenia jest równa liczbie faz, jakie ma silnik BLDC. Chociaż nie ma ograniczeń co do liczby faz, zwykle w rozwoju silników BLDC stosuje się 3 fazy. Te 3 fazy są wyrównane w konfiguracji Delta lub Wye.

Ponadto inną różnicą jest liczba biegunów magnetycznych obecnych na magnesie wirnika w silniku BLDC. Zwykle na wirniku są co najmniej dwa bieguny, biegun południowy i północny. W razie potrzeby może być ich więcej. Potrzeba i funkcja zostaną omówione w części dotyczącej zastosowań obu silników.

Kolejną bardzo ważną różnicą jest zastosowanie w silnikach BLDC, w porównaniu do silników szczotkowych, skomplikowanej elektroniki, takiej jak czujnik Halla i 3 bramki H na każdą fazę.

Kluczowe różnice między silnikami szczotkowymi i BLDC

Do tej pory dowiedziałeś się, dlaczego ważne jest, aby znać różnicę między obydwoma silnikami, a także podstawy zasad budowy silników szczotkowych i BLDC. Teraz poznasz kluczowe różnice na podstawie zalet i wad obu typów.

Różnica w prędkości i przyspieszeniu

Z uwagi na większą wagę silników szczotkowych, prędkość i przyspieszenie są niższe. Dalsze obniżenie prędkości jest spowodowane obecnością szczotek i komutatora mechanicznego. To sprawia, że silniki szczotkowe zaliczają się do kategorii silników średnioobrotowych. Komutator jest przymocowany za pomocą mechanicznie szczotkowego.

Gdy zamierzona jest wysoka prędkość, kontakt między szczotkami a komutatorem będzie zachowywał się nieregularnie, co spowoduje obniżenie prędkości. Innym powodem mniejszej prędkości jest zastosowanie laminowanego rdzenia żelaznego w środku, a ze względu na dużą bezwładność prędkości są niskie.

Z drugiej strony silniki BLDC nie mają komutatorów mechanicznych, stąd teoretycznie nie ma oporu w porównaniu do ich odpowiedników. Daje to przewagę silnikom BLDC w zakresie bardzo dużych prędkości i dokładności funkcjonalnej. Tak więc prędkości są wyższe w silnikach BLDC w porównaniu do silników szczotkowych, ale przy wyższym koszcie.

Hałas elektryczny i akustyczny

Ze względu na obecność szczotek mechanicznych i komutatorów silniki szczotkowe wytwarzają więcej hałasu elektrycznego niż silniki BLDC. Chociaż użycie kondensatora może zmniejszyć hałas, nie można go wyeliminować 100%. Z drugiej strony, w silnikach BLDC nie ma takich komponentów, co sprawia, że są one bardzo ciche, co sprawia, że można je stosować w aplikacjach wrażliwych na hałas.

Konserwacja

Na razie dowiedziałeś się wiele o szczotkach i komutatorach. Oba są elementami mechanicznymi i są w ciągłym tarciu o siebie. Powoduje to ciągłe zużycie i rozdarcie zarówno szczotek, jak i komutatora, co wymaga częstej wymiany. Stąd koszty konserwacji są wysokie i potrzebne od czasu do czasu.

Z drugiej strony silniki BLDC nie posiadają żadnego takiego elementu, co sprawia, że są silnikami bezobsługowymi.

Falowanie momentu obrotowego

Jest to zjawisko mechaniczne, które zostało nazwane na cześć drgań mechanicznych w silnikach. Ze względu na większą liczbę komponentów mechanicznych w silnikach szczotkowych, tętnienie momentu obrotowego jest wyższe, stąd drgania występują częściej przy dużej prędkości w silnikach szczotkowych DC w porównaniu do BLDC.

Życie

Cykl życia silników BLDC jest dłuższy niż silników szczotkowych ze względu na obecność mniejszej liczby elementów mechanicznych w konstrukcji. Ze względu na duże zużycie mechaniczne, w przypadku silników szczotkowych nadchodzi czas, w którym nie są już one sprawne.

Koszt

Wreszcie, powiązany koszt silnika szczotkowego jest znacznie niższy niż silnika BLDC. Wynika to z jego prostej konstrukcji i dojrzałego projektu. Chociaż niektóre komponenty są nieobecne w BLDC ze względu na obecność złożonej elektroniki, są one droższe niż silniki szczotkowe.

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przed wyborem silnika prądu stałego

Tak więc, jak dotąd, masz pełne zrozumienie obu typów silników DC szczotkowych i bezszczotkowych. Aby dowiedzieć się, który z nich będzie najlepszy dla Twojego zastosowania, musisz ocenić wymagania.

Jeśli chcesz silnik DC do prostych zastosowań, to silniki szczotkowe są odpowiednie. Te silniki są tanie i łatwo dostępne. W zależności od sterowania, prędkości, wymaganego momentu obrotowego i kosztów, możesz wybrać silnik szczotkowy. Pamiętaj, że żywotność tych silników jest krótsza niż silników BLDC.

Z drugiej strony. Silniki BLDC są preferowane, gdy potrzebujesz wysokiej wydajności i dużej prędkości z większą kontrolą nad funkcjonalnością. Ponadto, gdy chcesz użyć silnika DC w aplikacji wrażliwej na hałas, będziesz potrzebować BLDC. Żywotność BLDC jest znacznie wyższa niż silników szczotkowych, a Twoja inwestycja będzie Ci służyć przez dłuższy czas.

Streszczenie

Chociaż wybór silników zależy od różnych czynników i jak już się dowiedziałeś, wszystkie kluczowe różnice są istotne. Przestrzeń do wykorzystania silników szczotkowych nadal istnieje, nawet gdy dostępność i powiązane koszty silników BLDC spadły. Musisz wziąć pod uwagę wszystkie czynniki zarówno dla silników szczotkowych, jak i BLDC, zanim wybierzesz którykolwiek z nich do swojego zastosowania.