Nowoczesne, powszechnie stosowane trójfazowe bezszczotkowe silniki prądu przemiennego (takie jak PMSM — silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych i zaawansowanym sprzęcie AGD) wykorzystują trójfazowy układ falownika półmostkowego do wprowadzania trójfazowych przemiennych prądów sinusoidalnych do uzwojeń stojana. Tworzy to płynnie wirujące pole magnetyczne, które wprawia wirnik z magnesami trwałymi w płynny, wysoce wydajny i synchroniczny ruch obrotowy.
Stojan posiada trzy uzwojenia fazowe (A, B, C) rozmieszczone symetrycznie co 120° w przestrzeni fizycznej. Kiedy trójfazowe prądy przemienne z przesunięciem fazowym zostaną wprowadzone do tych przestrzennie odseparowanych uzwojeń, generowane przez nie pola magnetyczne łączą się, tworząc jedno wirujące pole magnetyczne!
Silniki bezszczotkowe nie posiadają fizycznych szczotek; ich komutacja opiera się w całości na falowniku elektronicznym. Układ składa się z 6 tranzystorów MOSFET (klucze górne i dolne dla każdej z faz A, B i C). Mikrokontroler (MCU) steruje ich sekwencjami przełączania, aby przekształcić napięcie szyny prądu stałego (DC) w przemienne prądy trójfazowe płynące przez uzwojenia.
Falownik kontroluje kierunek i wartość prądów tak, aby wypadkowy kierunek bieguna magnetycznego stojana wirował szybko w centrum silnika niczym niewidzialny „sygnalizator świetlny”. Wirnik z magnesami trwałymi (S/N) jest silnie przyciągany i podąża za polem magnetycznym w doskonałej synchronizacji, zapewniając płynną pracę przy wysokich prędkościach.
Bezszczotkowe silniki AC są zazwyczaj zasilane przez trójfazowy falownik pełnomostkowy. Lewy panel przedstawia przekrój poprzeczny silnika i linie strumienia magnetycznego (trzy bieguny A, B i C; kolor czerwony oznacza prąd wpływający generujący biegun N, kolor niebieski oznacza prąd wypływający generujący biegun S). Prawy panel przedstawia stany przewodzenia trójfazowego mostka falownika opartego na 6 tranzystorach MOSFET. Poprzez przełączanie kluczy górnych i dolnych prąd wpływa do określonych uzwojeń i wypływa z innych. Sprawia to, że wypadkowe pole magnetyczne obraca się skokowo co 60° (tryb 6-krokowy fali prostokątnej) lub co 30° (wektorowy tryb 12-krokowy półkrokowy), zmuszając wirnik do szybkiego obracania się.
Ładowanie...
| Krok | Kąt wypadkowy | Mostek fazy A (AH / AL) | Mostek fazy B (BH / BL) | Mostek fazy C (CH / CL) | Przepływ prądu w cewkach | Biegun magnetyczny stojana |
|---|
Podstawowe różnice między silnikami DC i AC leżą w rodzaju zasilania wejściowego, mechanizmie generowania pola magnetycznego, układzie komutacji oraz metodach sterowania:
Silniki DC są zasilane stałym prądem stałym (DC). Regulację prędkości uzyskuje się zazwyczaj poprzez zmianę napięcia stałego, co wymaga prostego układu sterowania. Silniki AC są zasilane prądem przemiennym (AC), którego wartość i kierunek zmieniają się cyklicznie. Regulację prędkości realizuje się głównie poprzez zmianę częstotliwości prądu przemiennego (regulacja częstotliwościowa).
Tradycyjne szczotkowe silniki DC opierają się na miedzianych komutatorach i szczotkach węglowych w celu mechanicznej komutacji. Z kolei bezszczotkowe silniki AC (takie jak PMSM — silniki synchroniczne z magnesami trwałymi) nie mają szczotek. Wykorzystują one falowniki elektroniczne (takie jak zaprezentowany tutaj układ trójfazowego mostka) sterowane przez zaawansowane algorytmy do przełączania tranzystorów MOSFET i dostarczania ciągłych trójfazowych przemiennych prądów sinusoidalnych do uzwojeń.
To, czy silnik jest „lepszy”, zależy od zastosowania, ale pod względem sprawności i limitów wydajności nowoczesne trójfazowe bezszczotkowe silniki AC (PMSM) są wyborem klasy premium:
Nowoczesne pojazdy elektryczne (np. Tesla) i wysokiej klasy urządzenia inwerterowe powszechnie stosują trójfazowe silniki PMSM. Uzwojenia generujące ciepło znajdują się na stojanie (co pozwala na bezpośrednie odprowadzanie ciepła przez obudowę), podczas gdy wirnik składa się z wysokowydajnych magnesów trwałych. Bez tarcia szczotek i strat energii na iskrzenie sprawność konwersji energii osiąga 90%–96%, zachowując wysoką sprawność w szerokim zakresie prędkości.
Silniki szczotkowe cierpią z powodu strat tarcia (zużycie mechaniczne i ciepło) oraz strat na iskrzenie komutatora wskutek ciągłego kontaktu szczotek węglowych z wirującym komutatorem. Energia ta jest marnowana w postaci ciepła i iskier. Dodatkowo wirujące uzwojenia wirnika generują znaczne ilości ciepła, które jest trudne do odprowadzenia, co obniża ogólną sprawność energetyczną.
Główna różnica między silnikami bezszczotkowymi a szczotkowymi leży w metodach komutacji oraz wynikających z nich strukturach fizycznych i właściwościach eksploatacyjnych:
| Wymiar | Silnik szczotkowy | Silnik bezszczotkowy |
|---|---|---|
| Mechanizm komutacji | Opiera się na fizycznym kontakcie i tarciu szczotek z komutatorem w celu automatycznego przełączania kierunku prądu. | Opiera się na mostku falownika i mikrokontrolerze (MCU) w celu elektronicznej, bezkontaktowej komutacji. |
| Żywotność i konserwacja | Krótsza żywotność (zwykle kilkaset godzin). Szczotki zużywają się i muszą być regularnie wymieniane. | Ekstremalnie długa żywotność (ograniczona głównie przez łożyska, do kilkudziesięciu tysięcy godzin). Bezobsługowy. |
| Hałas i zakłócenia elektromagnetyczne | Wysoki hałas mechaniczny z powodu tarcia. Iskry ze szczotek generują poważne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). | Brak iskier i tarcia. Wyjątkowo cicha praca zapewniająca kompatybilność elektromagnetyczną (EMC). |
| Złożoność sterowania i koszty | Niezwykle prosty; działa bezpośrednio po podłączeniu do źródła zasilania. Niski koszt systemu. | Wymaga dedykowanego sterownika bezszczotkowego (ESC/falownika), co prowadzi do wyższego kosztu systemu. |