Silnik prądu stałego jest jednym z najprostszych sposobów, aby dodać ruch do urządzenia elektronicznego: napędza koła robota, podajnik, pompę, wentylator, zamek, zabawkę albo element automatyki. Problem zaczyna się wtedy, gdy trzeba wybrać typ silnika, dobrać sterownik i przewidzieć obciążenie.
W tym przewodniku porządkujemy temat bez zbędnej teorii. Wyjaśniamy, jak działa silnik DC, czym różnią się najpopularniejsze konstrukcje i w jakich zastosowaniach sprawdzają się najlepiej.
Jeżeli projektujesz płytkę sterującą napędem, te informacje pomogą też podjąć decyzje po stronie elektroniki: prąd rozruchowy, sposób komutacji, sterownik, filtrowanie zakłóceń i zabezpieczenia.
Zacznijmy od podstaw.
1. Co to jest silnik DC i jak działa?
Silnik DC, czyli silnik prądu stałego, zamienia energię elektryczną na ruch obrotowy. Po podaniu napięcia na zaciski wirnik zaczyna się obracać, a wał może napędzać przekładnię, śmigło, koło, pompę lub inny mechanizm.
1.1. Co to jest silnik DC?
Przykład silnika prądu stałego.
Klasyczny silnik prądu stałego składa się z części nieruchomej, czyli stojana, oraz części obracającej się, czyli wirnika. Stojan wytwarza pole magnetyczne za pomocą magnesów trwałych albo uzwojeń wzbudzenia. Wirnik ma uzwojenia, przez które płynie prąd. Oddziaływanie tych pól magnetycznych powoduje powstanie momentu obrotowego.
Zakres rozmiarów jest bardzo szeroki. Mały silnik może pracować w zabawce, a większy silnik DC może napędzać mechanizm przemysłowy, pojazd albo windę. Zasada działania pozostaje podobna, zmieniają się moc, konstrukcja, chłodzenie i sterowanie.
W silniku szczotkowym ważną rolę pełnią również komutator i szczotki. Komutator przełącza kierunek prądu w uzwojeniach wirnika, aby moment obrotowy działał w tę samą stronę. Szczotki doprowadzają prąd do obracającego się komutatora.
W silniku bezszczotkowym komutację mechaniczną zastępuje elektronika. Sterownik przełącza prąd w uzwojeniach stojana, a wirnik z magnesami trwałymi podąża za wirującym polem magnetycznym.
Silniki DC są cenione za łatwe sterowanie prędkością, dobry moment przy niskich obrotach i prostą zmianę kierunku obrotów. W wielu aplikacjach wystarczy mostek H, sterownik PWM oraz poprawnie dobrane zabezpieczenia przed przepięciami indukcyjnymi.
Dlatego silniki prądu stałego spotyka się w sprzęcie domowym, elektronice przenośnej, robotyce, motoryzacji, automatyce przemysłowej i systemach zasilanych z akumulatora.
1.2. Jaka jest podstawowa zasada silnika DC?
Podstawą działania silnika DC jest siła elektrodynamiczna: przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym doświadcza siły. W silniku ten efekt jest wykorzystany wielokrotnie w uzwojeniach rozmieszczonych na wirniku lub stojanie.
Kierunek siły zależy od kierunku prądu i kierunku pola magnetycznego. Jeżeli układ jest prawidłowo skomutowany, kolejne uzwojenia są zasilane tak, aby wirnik stale „ciągnął” w kierunku obrotu.
Większy prąd zwykle daje większy moment obrotowy, ale też większe straty cieplne. Dlatego przy projektowaniu sterownika trzeba uwzględnić prąd znamionowy, prąd rozruchowy, blokadę wału i chłodzenie.
Ta sama zasada tłumaczy również hamowanie dynamiczne i odzysk energii: obracający się silnik może działać jak prądnica, generując napięcie przeciwelektromotoryczne. Dla elektroniki sterującej jest to ważne źródło przepięć, które należy kontrolować.
2. Rodzaje silników DC
Silniki prądu stałego różnią się konstrukcją, komutacją, charakterystyką momentu i sterowaniem. Wybór powinien wynikać z obciążenia, wymaganej żywotności, dostępnego miejsca oraz kosztu całego układu, nie tylko ceny silnika.
Poniżej omawiamy najczęściej spotykane grupy.
1. Bezszczotkowy silnik DC
Bezszczotkowy silnik prądu stałego.
Bezszczotkowy silnik prądu stałego, często oznaczany jako BLDC, nie ma szczotek ani mechanicznego komutatora. Wirnik zwykle zawiera magnesy trwałe, a uzwojenia znajdują się w stojanie.
Przełączaniem prądu zajmuje się sterownik elektroniczny. Może on korzystać z czujników Halla, pomiaru napięcia w uzwojeniach albo sterowania wektorowego.
Jak taki silnik wytwarza ruch?
Sterownik zasila kolejne fazy uzwojeń stojana, tworząc wirujące pole magnetyczne. Wirnik z magnesami trwałymi podąża za tym polem. Brak szczotek oznacza mniejsze zużycie, mniej iskrzenia i lepszą sprawność.
Silniki BLDC są popularne w wentylatorach, dronach, elektronarzędziach, napędach precyzyjnych i urządzeniach zasilanych bateryjnie, gdzie liczą się sprawność, trwałość i niski poziom zakłóceń mechanicznych.
Zalety
Brak szczotek ogranicza iskrzenie i hałas tarcia podczas pracy.
Może być bezpieczniejszy tam, gdzie iskrzenie byłoby problemem, o ile cały układ spełnia wymagania środowiska pracy.
Wymaga mniej obsługi mechanicznej niż silnik szczotkowy.
Oferuje wysoką sprawność i dobrą gęstość mocy.
Dobrze współpracuje z precyzyjną regulacją prędkości i momentu.
Przy pracy ciągłej może obniżać straty energii względem prostego silnika szczotkowego.
Wady
Wymaga sterownika elektronicznego, więc sam układ napędowy jest bardziej złożony.
Koszt startowy bywa wyższy niż w przypadku prostego silnika szczotkowego.
2. Szczotkowy silnik prądu stałego
Szczotkowy silnik prądu stałego.
Szczotkowy silnik DC to najprostsza i najczęściej rozpoznawalna konstrukcja. Po podaniu napięcia na zaciski silnik zaczyna się obracać, a prędkość można regulować zmianą napięcia lub sygnałem PWM.
Wewnątrz pracuje wirnik z uzwojeniami, komutator, szczotki oraz pole magnetyczne stojana. W małych silnikach stojan często wykorzystuje magnesy trwałe, a w większych konstrukcjach może mieć uzwojenia wzbudzenia.
Szczotki są zwykle wykonane z grafitu, węgla lub mieszanek z dodatkiem metali. To element eksploatacyjny: zużywa się, generuje pył i może być źródłem zakłóceń.
Zalety
Niska cena i łatwa dostępność wielu rozmiarów.
Proste uruchomienie bez zaawansowanego sterownika.
Łatwy pomiar prądu do wykrywania przeciążenia lub zablokowania wału.
Dobre zachowanie przy rozruchu i stosunkowo wysoki moment początkowy.
Prosta regulacja prędkości za pomocą napięcia lub PWM.
Wady
Szczotki i komutator zużywają się, dlatego przy intensywnej pracy silnik wymaga serwisu albo ma krótszą żywotność niż BLDC.
3. Silnik bocznikowy prądu stałego
Silnik bocznikowy ma uzwojenie wzbudzenia połączone równolegle z twornikiem. Dzięki temu prąd pola i prąd twornika są częściowo niezależne, a prędkość jest stabilniejsza przy zmianach obciążenia niż w silniku szeregowym.
Zalety
Dobra regulacja prędkości w szerokim zakresie pracy.
Stabilna charakterystyka przy obciążeniach, które wymagają prawie stałych obrotów.
Wydajna praca w napędach przemysłowych i laboratoryjnych.
Możliwość sterowania napięciem twornika oraz prądem wzbudzenia.
Silnik bocznikowy warto rozważyć wtedy, gdy napęd ma utrzymywać prędkość pod zmiennym obciążeniem, na przykład w wybranych maszynach roboczych lub stanowiskach testowych.
Wady
Nie jest najlepszym wyborem do aplikacji wymagających bardzo dużego momentu rozruchowego.
Może być większy i cięższy niż nowoczesne napędy BLDC o podobnej funkcji.
Wymaga starannie dobranego zasilania i układu sterowania, szczególnie przy większych mocach.
4. Silniki szeregowe DC
Uzwojenia miedziane stosowane w silnikach szeregowych DC.
W silniku szeregowym uzwojenie wzbudzenia jest połączone szeregowo z twornikiem. Ten sam prąd płynie przez oba obwody, dlatego przy rozruchu silnik może generować bardzo duży moment.
To właśnie wysoki moment początkowy sprawia, że takie silniki były stosowane w napędach trakcyjnych, dźwignicach, wciągarkach i aplikacjach, w których obciążenie jest duże już od pierwszego obrotu.
Konstrukcyjnie silnik szeregowy jest odmianą silnika szczotkowego: ma szczotki, komutator, twornik i uzwojenie pola. Wymaga jednak ostrożności, ponieważ bez obciążenia może osiągnąć zbyt wysoką prędkość.
Zalety
Bardzo wysoki moment rozruchowy.
Dobra odporność na krótkotrwałe przeciążenia, jeżeli układ jest poprawnie zabezpieczony termicznie i prądowo.
Prosta konstrukcja dla aplikacji, w których najważniejszy jest moment przy starcie.
Wady
Prędkość silnie zależy od obciążenia.
Wraz ze wzrostem prędkości dostępny moment spada.
Nie powinien pracować bez obciążenia, ponieważ może nadmiernie się rozpędzić.
5. Silnik DC z rdzeniem żelaznym
Uzwojenia miedziane w silniku prądu stałego z rdzeniem.
Silnik DC z rdzeniem żelaznym ma uzwojenia nawinięte na pakiet blach lub rdzeń ferromagnetyczny. Rdzeń wzmacnia pole magnetyczne i pozwala uzyskać dobry moment przy rozsądnych wymiarach oraz koszcie.
To popularna konstrukcja w produkcji masowej, szczególnie tam, gdzie liczy się trwałość, cena i przewidywalna charakterystyka pracy.
Typowy silnik tego rodzaju ma magnesy trwałe lub uzwojenie wzbudzenia, wirnik z rdzeniem, komutator, szczotki oraz obudowę z łożyskowaniem wału. Nie należy mylić go z silnikiem synchronicznym: w wersji szczotkowej komutacja nadal odbywa się mechanicznie.
Uzwojenia są połączone z komutatorem, który przełącza prąd w odpowiednim momencie obrotu. Takie silniki dobrze sprawdzają się w zabawkach, małych pojazdach, mechanizmach domowych, prostych napędach i wielu urządzeniach konsumenckich.
Zalety
Dobry stosunek ceny do osiągów.
Dobra dostępność wersji niskonapięciowych.
Wysoki moment w kompaktowej obudowie.
Prosta regulacja prędkości przy różnych napięciach zasilania.
Łatwe uruchamianie, zatrzymywanie i odwracanie kierunku obrotów.
Wady
W wersjach szczotkowych konieczna jest okresowa obsługa szczotek, a rdzeń może powodować większą bezwładność i zjawisko ząbkowania momentu.
6. Bezrdzeniowy silnik prądu stałego
Bezrdzeniowy napęd prądu stałego stosowany w lekkich konstrukcjach.
Bezrdzeniowy silnik DC nie ma klasycznego żelaznego rdzenia wirnika. Uzwojenie tworzy lekką, samonośną konstrukcję, często o kształcie koszyka lub cylindra. Dzięki temu wirnik ma małą bezwładność i bardzo szybko reaguje na zmianę napięcia.
Takie silniki mogą występować w wersjach szczotkowych, a w podobnych zastosowaniach spotyka się również małe napędy bezszczotkowe. Bezrdzeniowe konstrukcje są używane w precyzyjnej robotyce, modelarstwie, aparaturze medycznej, lekkich mechanizmach i napędach wymagających szybkiego przyspieszania.
Zalety
Niski poziom drgań i płynna praca.
Mniejsza bezwładność wirnika i szybka odpowiedź dynamiczna.
Bardzo dobre przyspieszanie i hamowanie.
Mała masa oraz kompaktowe wymiary.
Wysoka sprawność w dobrze dobranym punkcie pracy.
Wady
Zwykle wyższa cena niż w prostych silnikach z rdzeniem.
Gorsza odporność na przeciążenia cieplne, ponieważ uzwojenie ma małą masę i ograniczone odprowadzanie ciepła.
W aplikacjach precyzyjnych wymaga dobrze dobranego sterownika i zabezpieczenia prądowego.
3. Zastosowanie silników DC
Silniki DC są wszechstronne, ponieważ łatwo regulować ich prędkość, kierunek obrotów i sposób hamowania. Z tego powodu dobrze pasują zarówno do prostych urządzeń konsumenckich, jak i do bardziej wymagających napędów przemysłowych.
Typowe zastosowania obejmują:
zabawki, elektronarzędzia i domowe urządzenia elektryczne;
obrotnice, podajniki, taśmociągi i małe mechanizmy transportowe;
automatykę przemysłową oraz stanowiska testowe;
roboty mobilne, manipulatory i serwomechanizmy;
tokarki, wiertarki, maszyny formujące oraz urządzenia do obróbki materiałów;
windy, sprężarki, dźwigi, wentylatory i inne napędy pomocnicze.
Podsumowanie
Najważniejszym kryterium wyboru silnika DC jest dopasowanie go do rzeczywistego obciążenia. Innego napędu potrzebuje zabawka zasilana baterią, innego robot mobilny, a jeszcze innego maszyna przemysłowa pracująca przez wiele godzin dziennie.
Przed wyborem warto określić wymagany moment, prędkość, napięcie zasilania, prąd rozruchowy, cykl pracy, dopuszczalny hałas, żywotność oraz sposób sterowania. Dopiero wtedy można rozsądnie porównać silnik szczotkowy, BLDC, konstrukcję szeregową, bocznikową, rdzeniową lub bezrdzeniową.
Jeżeli silnik jest częścią projektowanego urządzenia, płytka sterująca musi uwzględniać nie tylko zasilanie, ale też zabezpieczenia, chłodzenie, zakłócenia EMI, złącza, pomiar prądu i miejsce na elementy wykonawcze. Te decyzje mają bezpośredni wpływ na niezawodność całego produktu.
OurPCB produkuje i montuje płytki PCB do układów sterowania silnikami, elektroniki mocy, automatyki i urządzeń wbudowanych. Jeśli przygotowujesz taki projekt, prześlij pliki Gerber i BOM; zapewniamy wsparcie inżynieryjne oraz wycenę w 12 godzin roboczych.