Silniki elektryczne prądu stałego to jedne z najważniejszych wynalazków, na których współczesny świat w dużym stopniu polega. Silniki te są stosowane w sprzęcie AGD, elektronarzędziach, dronach, systemach chłodzenia komputerów PC, robotyce i pojazdach elektrycznych.
Dwa z najczęściej używanych obecnie silników elektrycznych prądu stałego to silniki szczotkowe i bezszczotkowe prądu stałego. Oba silniki mają tę samą podstawową ideę wykorzystania elektromagnetyzmu do zapewnienia mechanicznych obrotów. Jednak przy różnych koncepcjach konstrukcyjnych silniki szczotkowe i bezszczotkowe muszą różnić się wydajnością, kosztami i konserwacją.
Jaka konstrukcja silnika jest lepsza — szczotkowana czy bezszczotkowa?
Jak działa silnik elektryczny prądu stałego?
Silniki elektryczne przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną. Robią to, przepuszczając energię elektryczną przez miedziane uzwojenia, tworząc pole elektromagnetyczne który wzbudza magnesy trwałe wewnątrz silnika, powodując ruch wirnika i produkcję mechaniczną energia.
Chociaż zarówno silniki szczotkowe, jak i bezszczotkowe mają ten sam cel, jakim jest zamiana elektryczności na energię mechaniczną, ich konstrukcje są różne. Aby zrozumieć ich różnicę, porozmawiajmy o konstrukcji silnika, zaczynając od silnika szczotkowego.
Szczotkowany projekt silnika
Silniki szczotkowane są produkowane już od ponad wieku. Wiadomo, że mają uproszczoną konstrukcję wykorzystującą parę szczotek węglowych do dostarczania mocy do silnika. Silniki szczotkowane zawsze będą miały cztery główne części, są to:
- Stojan: Część stacjonarna silnika. Zawiera magnesy trwałe, które wprawiają w ruch wirnik.
- Wirnik: Obrotowa część silnika. Zawiera cewkę miedzianą, która po włączeniu powoduje, że cewka miedziana jest elektromagnetyczna.
- Komutator: Metalowy pierścień, który zapewnia obracanie się wirnika poprzez odwrócenie polaryzacji na każde pół obrotu wirnika.
- Pędzle: Część nieruchoma wykonana z węgla bezpośrednio podłączona do zacisków źródła zasilania. Przekazują moc do pierścienia komutatora, który następnie aktywuje wirnik.
Silnik szczotkowy wykorzystuje szczotki do zasilania elektrycznego silnika, umożliwiając jednocześnie obracanie się wirnika i komutatora. Wirnik składa się z miedzianych uzwojeń, które po zasileniu stają się w zasadzie elektromagnesem.
Co się stanie, jeśli dwa magnesy zbliżą się do siebie?
Cóż, w zależności od ustawienia biegunów magnetycznych, będą się one przyciągać lub odpychać. Celem silnika szczotkowego jest wykorzystanie przyciągania i odpychania do obracania silnika. Tutaj przydaje się komutator.
Komutator to metalowy pierścień w środku wirnika, który przełącza biegun magnetyczny wirnika co 180 stopni. To skutecznie zapewnia, że biegun magnetyczny wirnika zawsze pokrywa się z tym samym biegunem magnetycznym stojana, powodując odpychanie.
Wynik? Ciągły obroty mechaniczne mają wystarczającą siłę do zasilania blendera (lub czegokolwiek, co wykorzystuje silnik szczotkowy).
Konstrukcja silnika bezszczotkowego
Silniki bezszczotkowe zaczęły zyskiwać popularność w latach 80., kiedy tranzystory stały się bardziej powszechne w elektronice. Będąc łatwo dostępnym komponenty półprzewodnikowe odegrał dużą rolę w tworzeniu silników bezszczotkowych stosowanych w elektronarzędziach, sprzęcie AGD i elektronice. Ich złożona, ale wydajna konstrukcja zapewnia bezszczotkowym silnikom większy moment obrotowy niż ich szczotkowane odpowiedniki.
Konstrukcja silnika bezszczotkowego obejmuje kilka zasadniczych części. Obejmowałyby one:
- Stojan: Część stacjonarna silnika. Zawiera kilka miedzianych cewek, które po zasileniu stają się aktywnym magnesem.
- Wirnik: Obrotowa część silnika. Zawiera magnesy trwałe, które obracają się pod wpływem pola elektromagnetycznego między stojanem a wirnikiem.
- Czujnik Halla: Czujnik wykrywający, które cewki są pod napięciem, a które nie.
- Obwód sterowania: Obwód elektroniczny zaprojektowany do decydowania, które cewki wewnątrz stojana mają być zasilane.
Jak sama nazwa wskazuje, silniki bezszczotkowe nie używają szczotek do zasilania silnika. Silniki bezszczotkowe również nie mają komutatorów przewodzących prąd. Zamiast tego wykorzystuje czujnik Halla i obwód sterujący, aby zapewnić, że przeciwne bieguny magnetyczne stojana i wirnika są zawsze wyrównane. Inną rzeczą, którą zauważysz, jest to, że w stojanie znajdują się miedziane uzwojenia, podczas gdy w wirniku znajdują się magnesy trwałe.
Silnik bezszczotkowy zasadniczo działa w taki sam sposób, jak silnik szczotkowy: wykorzystuje różnice w biegunach magnetycznych do poruszania wirnikiem, tworząc obrót i moment obrotowy.
Ale jak bez szczotek i komutatorów można uzyskać zasilanie z miedzianych uzwojeń?
Proste, uzwojenia miedziane są nieruchome. Szczotki nie są już potrzebne w przypadku stacjonarnych uzwojeń miedzianych, ponieważ cewki można zasilać bezpośrednio przez przewody.
Jeśli chodzi o komutatory, silnik bezszczotkowy wykorzystuje czujnik efektu Halla i obwód sterujący. Czujnik Halla to płaski, okrągły czujnik umieszczony obok miedzianych uzwojeń stojana. Ponieważ stojan mieści kilka cewek, czujnik Halla może wykryć, czy jedna z tych cewek jest pod napięciem, czy nie.
Wykonane w programie Sketchup
Czujnik przekazuje następnie swój odczyt do obwodu sterującego i decyduje, które cewki należy zasilić. Jeśli więc magnesy trwałe wirnika zbliżą się do przyciągających się biegunów magnetycznych, obwód sterujący przestanie zasilać te cewki i zasili następną cewkę, która przyciąga magnesy trwałe wirnika. Obwód sterujący będzie również zasilał cewki przed magnesami trwałymi, powodując odpychanie i dodając jeszcze większy moment obrotowy do obrotu.
Plusy i minusy silników szczotkowych i bezszczotkowych
Ze względu na różnice w konstrukcji silnika zarówno silniki szczotkowane, jak i bezszczotkowe będą miały zalety i wady. Oto tabela, która pomoże Ci zrozumieć ich mocne i słabe strony:
| Szczotkowany silnik | Silnik bezszczotkowy | |
|---|---|---|
| Długość życia | Niski | Długie |
| Przyśpieszenie | Średni | Wysoki |
| Efektywność | Średni | Wysoki |
| Moment obrotowy | Średni | Wysoki |
| Akustyka | Głośny | Cichy |
| Koszt | Niedrogi | Drogie (z obwodem sterowania) |
Czy powinieneś kupować sprzęt z silnikiem szczotkowym czy bezszczotkowym?
Jak widać w tabeli, silniki bezszczotkowe są lepsze pod każdym względem (z wyjątkiem kosztów) niż ich szczotkowany odpowiednik. Zapewniają wyższy moment obrotowy, szybsze przyspieszenie, niższy poziom hałasu i wyższą wydajność oraz są trwalsze.
Kiedy więc masz szansę kupić nowe elektronarzędzie, urządzenie kuchenne, drona lub cokolwiek, co wymaga silnika, wybór przedmiotów z silnikiem bezszczotkowym jest zazwyczaj lepszą opcją.
Czy silniki szczotkowe powinny być przestarzałe?
Więc nie. Zwłaszcza, że silnik bezszczotkowy (plus obwód sterujący) będzie kosztował znacznie więcej niż przedmiot wykorzystujący silnik szczotkowy. I chociaż silnik bezszczotkowy jest lepszy niż jego szczotkowany odpowiednik, nie oznacza to, że silnik szczotkowy jest zły. W rzeczywistości szczotkowany silnik jest bardzo dobry. Z silnikiem szczotkowym można osiągnąć te same zadania, co ludzie z silnikiem bezszczotkowym.
Ogólnie rzecz biorąc, silniki bezszczotkowe są idealnymi silnikami wewnątrz narzędzi i sprzętu. Ale są też sytuacje, w których możesz chcieć zamiast tego użyć silników szczotkowych. Sytuacje te obejmowałyby:
- Gdy silnik jest używany w chwilowych krótkich seriach (np. blender, fotele elektryczne i wycieraczki przedniej szyby)
- Gdy narzędzie/urządzenie staje się przydatne tylko kilka razy w roku
- Gdy zadanie nie wymaga dużego momentu obrotowego (np. zabawki, otwory wentylacyjne)
- W ekstremalnych warunkach pracy. Silniki szczotkowane nie potrzebują czujników ani obwodów sterujących, które mogą ulec awarii w ekstremalnych warunkach pogodowych
Dokonywanie inteligentnych zakupów
Teraz, gdy rozumiesz różnicę między silnikami szczotkowymi i bezszczotkowymi, miejmy nadzieję, że ułatwi to dokonanie mądrego zakupu przy zakupie urządzeń kuchennych, narzędzi i sprzętu. Powinno to również wyjaśnić, dlaczego niektóre produkty są droższe niż ich odpowiedniki, mimo że pochodzą od tej samej marki, mają te same cechy i mają ten sam współczynnik kształtu. Pamiętaj, że tylko dlatego, że możesz kupić przedmiot premium za pomocą silnika bezszczotkowego, nie zawsze oznacza to, że warto go kupić.
