Od automatyki przez przemysł motoryzacyjny po branżę sanitarną, od podzespołów komputerowych przez układy chłodzące po sprzęt gospodarstwa domowego, dyski HDD i urządzenia medyczne – lista zastosowań i urządzeń, których działanie opiera się na wykorzystaniu silników bezszczotkowych, jest imponująca. Silniki BLDC (ang. BrushLess Direct-Current Motor) to rodzaj napędu zasilanego przez prąd stały, w którym zamiast szczotek zastosowano układ elektroniczny generujący sygnał sterujący, cewki są nieruchome, a magnesy znajdują się na wirniku. Stosowany jest wszędzie tam, gdzie w procesach produkcyjnych liczy się niezawodność działania i wysoka sprawność energetyczna. Silniki bezszczotkowe spełniają te kryteria za sprawą specjalnej budowy napędu. W klasycznym silniku prądu stałego siła tarcia oraz wzajemne oddziaływanie szczotek i prętów komutatora powodują bardzo szybkie zużywanie się tych elementów. Wyeliminowanie z konstrukcji słabego ogniwa w postaci mechanicznego komutatora i szczotek znacznie wydłużyło bezawaryjny czas pracy urządzenia, a tym samym zmniejszyło liczbę koniecznych napraw serwisowych.

Nie tylko niezawodne

Wyjątkowa żywotność silników bez szczotek to jeden z istotnych ich walorów, ale niejedyny. Równie ważnymi atrybutami są niewielkie wymiary i mały ciężar przy jednocześnie dużej mocy i sprawności. Ten ostatni parametr jest dużo wyższy niż w przypadku tradycyjnych silników prądu stałego i wynosi nawet 95%. Napędy BLDC są też w stanie pracować z dużo większą prędkością niż ich klasyczne odpowiedniki, a dzięki płaskiej charakterystyce momentu obrotowego prędkość działania może być dowolnie i precyzyjnie regulowana. Jest to szczególnie ważne np. w przypadku pracy maszyn wymagających dokładnego pozycjonowania w osiach ruchomych.

Uproszczona konstrukcja silnika BLDC pozwala na mniejsze koszty produkcji, co skutkuje jego atrakcyjną ceną. Ponadto zapewnia on niższe zużycie energii i cicho pracuje.

Kolejna zaleta to brak iskrzenia. W silnikach szczotkowych iskrzenie szczotek często bywa przyczyną zakłóceń elektromagnetycznych innych urządzeń elektronicznych znajdujących się w pobliżu. Przy zastosowaniu silników BLDC w fabrykach problem ten praktycznie przestaje istnieć.

Brak kłopotliwego iskrzenia ma jeszcze jeden pozytywny skutek: nie niesie ryzyka zaprószenia ognia. Czynnik ten decyduje o częstym wykorzystywaniu napędów bezszczotkowych w środowiskach zagrożonych wybuchem, np. w miejscach, gdzie do produkcji używa się oleju.

Wszystko to sprawia, że pozycja silników z elektrycznym komutatorem na rynku przemysłowym jest bardzo mocna. Co więcej – w każdym niemal kwartale pojawiają się doniesienia o eksperymentalnych technologiach i nowych rozwiązaniach przemysłowych, w których silniki bez szczotek z sukcesem odgrywają główną rolę.

Od drukarek po lodówki

Najbardziej klasycznym przykładem wykorzystania silników BLDC są te dziedziny przemysłu, w których szczególne znaczenie ma niezawodna praca napędu ograniczona jedynie zużyciem łożysk. Dlatego napędy pozbawione szczotek stosuje się w urządzeniach wymagających długiej i bezawaryjnej pracy, jak pompy wodne i paliwowe, drukarki atramentowe i systemy akumulatorowe. Równie powszechnym obszarem wykorzystania są układy chłodzące, nagła przerwa w chłodzeniu produktów może bowiem zakończyć się przestojami całej linii technologicznej.

Szeroki zakres regulacji prędkości obrotowej i wysoki moment rozruchowy przy małym momencie bezwładności to z kolei cechy, które przesądzają o częstym wykorzystaniu silników BLDC w automatyce i robotyce, i to praktycznie od początku ich kariery. Właściwości te sprawdzają się szczególnie w przypadku pracy robotów przemysłowych, zarówno tych, które regularnie, dokładnie i powtarzalnie wykonują proste ruchy przenoszenia elementów, jak i tych, które wykonują bardziej skomplikowane działania.

Ciekawy przykład zastosowania silników BLDC w halach przemysłowych stanowią podajniki taśmowe. Wykorzystanie do napędzania taśmy szybkich i bezawaryjnych napędów w wersji bezszczotkowej pozwala zwiększyć liczbę przeniesionych produktów, co znacząco poprawia wydajność produkcji.

Dyskretny urok silnika

Produkty AGD to kolejna dziedzina, której nieodłącznym towarzyszem są silniki BLDC. Ze względu na ich cichy tryb pracy stosowane są chętnie w branży inżynierii sanitarnej, używane w klimatyzatorach, wentylatorach, lodówkach i pralkach. Interesującym pomysłem jest zastosowanie dyskretnych napędów w automatycznych roletach zewnętrznych i wewnętrznych do sterowania ułożenia listewek.

Segment urządzeń medycznych to obszar, w którym szczególne znaczenie ma bezawaryjna, cicha i równomierna praca napędów. Nic więc dziwnego, że silniki bez szczotek są tu szczególnie cenionym i powszechnym rozwiązaniem. Implementuje się je w urządzeniach do rezonansu magnetycznego i tomografii oka, wykorzystuje w automatycznie regulowanych fotelach stomatologicznych i ginekologicznych, a także instaluje w łóżkach przeciwodleżynowych w salach intensywnej terapii. Duży potencjał ma wykorzystanie alternatywnych silników jako elementów napędowych egzoszkieletów, czyli powłok mocowanych na zewnątrz ciała, których celem jest wzmocnienie siły mięśni użytkownika. Służą one do zwiększenia możliwości bojowych żołnierzy, pomagają osobom, które nie mogą poruszać się o własnych siłach, są stosowane w ratownictwie i budownictwie w urządzeniach wspomagających przenoszenie dużych ciężarów.

Napędzają ryksze i skutery

Mniejsza masa i wielkość w stosunku do silników o podobnie mocnych parametrach technicznych sprawiają, że rozwiązania BLDC cieszą się coraz większym zainteresowaniem konstruktorów pojazdów elektrycznych. Silniki pozbawione prętów komutatora napędzają skutery elektryczne i ryksze, są też bazą, na której opiera się praca różnego rodzaju wózków

cichobieżnych i pojazdów poruszających się po centrach handlowych. Stosunkowo mały moment bezwładności i duża przeciążalność momentem to z kolei takie cechy napędów, które nadają niezbędną dynamikę działania korzystającym z nich pojazdom elektrycznym.

Kolejny atrybut silników bezszczotkowych: duży stosunek momentu do prędkości obrotowej jest szczególnie korzystny w przypadku zastosowania w elektrycznych wózkach inwalidzkich, które muszą w krótkim odstępie czasu pokonywać duże przeszkody. Dodatkowymi zaletami są tu małe rozmiary napędu i jego lekkość, pozwalające na łatwe zamontowanie w piaście koła pojazdu, co zmniejsza całościowy ciężar wózka i umożliwia odzyskiwanie energii przy każdym hamowaniu.

Branża pojazdów elektrycznych to obszar, w którym silniki bezszczotkowe zajmą w przyszłości należne im pierwsze miejsce. Już dziś konstruktorzy aut zasilanych alternatywnie prześcigają się w tworzeniu eksperymentalnych technologii wykorzystujących te właśnie napędy. Zespół inżynierów i naukowców kilku polskich uczelni technicznych zaprezentował w ubiegłym roku unikatową konstrukcję sportowego samochodu typu roadster z wodorowym magazynem energii. Dzięki zastosowaniu czterech silników BLDC, z których każdy odpowiada za napęd jednego koła, możliwe stało się aktywne i niezależne sterowanie momentem obrotowym na każdym kole. Ten przykład rzuca nowe światło na możliwości zastosowania napędów BLDC i pokazuje, że w dziedzinie silników bez szczotek nie powiedziano jeszcze ostatniego słowa.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––---------------------------------

MM Info

Pierwszy model silnika bez szczotek powstał w 1962 r. i został uznany za rozwiązanie niemal na miarę technicznej rewolucji. Nowy rodzaj napędu zaczęto od razu testować w automatyce i lotnictwie, jednak ograniczeniem w szerszych zastosowaniach przemysłowych okazała się mała moc. Sytuacja zmieniła się w roku 1980, gdy na rynku pojawiły się magnezy trwałe. Ich połączenie z wysokonapięciowymi tranzystorami pozwoliło alternatywnym napędom na osiągnięcie znacznie większej mocy. Od tego momentu silniki bezszczotkowe zaczęły robić słuszną karierę, a badania nad ich wykorzystaniem stało się oczkiem w głowie potentatów przemysłowych i utorowały drogę wielu dzisiejszym zastosowaniom w różnych sektorach gospodarki.