Rodzaje silników elektrycznych i ich charakterystyka

Silniki elektryczne przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną. Są one oparte na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Stosuje się je w różnych zastosowaniach, na przykład jako rozwiązanie napędowe w maszynach przemysłowych.

Rodzaje silników elektrycznych

Istnieją różne rodzaje silników elektrycznych, z których każdy ma inne funkcje i właściwości. Stosowane obecnie typy silników elektrycznych dzielą się na silniki prądu stałego i silniki prądu przemiennego. W przypadku silników prądu przemiennego rozróżnia się silniki synchroniczne i indukcyjne.

Budowa silników elektrycznych jest zazwyczaj następująca:

• Stojan: Stojan jest magnesem elektrycznym lub trwałym, który jest trwale, np. sztywno, połączony z obudową silnika.
• Wirnik: Wirnik jest elektromagnesem, który znajduje się pomiędzy biegunami stojana na osi silnika. W zależności od konstrukcji rozróżnia się silniki obrotowe (oś obrotowa silnika) i silniki liniowe (oś przesuwna).
• Komutator (falownik biegunowy): Komutator składa się z dwóch lub więcej segmentów pierścienia ślizgowego, odizolowanych od siebie, przez które prąd jest dostarczany do wirnika. Dwa styki ślizgowe, które są podłączone do źródła zasilania, naciskają na nie z zewnątrz.

• 1 – Wirnik
• 2 – Szczotka
• 3 – Cewka
• 4 – Szczelina powietrzna
• 5 – Magnes trwały

Do sterowania silnikami elektrycznymi stosowane są różne metody sterowania w pętli otwartej i/lub zamkniętej. Typowe metody obejmują modulację szerokości impulsu (PWM), bezpośrednie sterowanie napięciem lub regulację zorientowaną na pole.

Silniki prądu stałego (DC)

Silniki prądu stałego działają ze stałym kierunkiem prądu i generują moment obrotowy. Są one przydatne w aplikacjach wymagających precyzyjnej kontroli prędkości i momentu obrotowego, takich jak maszyny CNC. Poniższe silniki są przykładami silników prądu stałego:

• Silnik prądu stałego ze szczotkami: Komutator działa w oparciu o styki, które są dociskane przez sprężynę. Są one nazywane szczotkami i są wykonane na przykład z węgla. Dzięki szczotkom można z łatwością regulować moc w zależności od zastosowanego napięcia roboczego.
• Silnik prądu stałego ze szczotkami: Zamiast mechanicznego komutatora, czujnik elektryczny mierzy kąt wirnika bezszczotkowych silników prądu stałego.
• Silnik przekładniowy: Przekładnia służy do obniżania – lub w rzadkich przypadkach także do zwiększania – pierwotnej prędkości obrotowej do określonej wartości.
• Silnik krokowy: Silniki krokowe są dostępne jako silniki obrotowe i liniowe. Silniki można dostosować do małych kroków pozycjonowania za pomocą dużej liczby par biegunów (zębów). Zazwyczaj są one sterowane za pomocą obrotowych lub liniowych koderów położenia. Silniki te nadają się do wymagających prac związanych z pozycjonowaniem, takich jak drukowanie 3D. Należy zauważyć, że przeciążenie/niedowymiarowanie może prowadzić do błędów kroku.

Zalety i wady silników prądu stałego

Zalety silników prądu stałego obejmują:

• Wysoki moment rozruchowy, dzięki czemu nadaje się do ciężkich zastosowań.
• Można je precyzyjnie kontrolować, co osiąga się głównie za pomocą prędkości obrotowej. Dzięki temu nadają się do zastosowań wymagających dokładnego pozycjonowania i płynnego działania.
• Bardzo niezawodna, prosta kontrola momentu obrotowego możliwa nawet przy niskiej prędkości obrotowej.
• Odwracalność: Kierunek obrotu można z łatwością zmienić, odwracając aktualny kierunek.
• Dostępny jest szeroki zakres prędkości.
• Bezszczotkowe silniki prądu stałego są trwałe, łatwe w utrzymaniu i cichsze

Wady to:

• Stosowanie szczotek wymaga częstych przeglądów, zwykle co trzy miesiące, co prowadzi do wyższych kosztów konserwacji.
• Podatność na trudne warunki środowiskowe: Relatywnie otwarta konstrukcja ułatwia wnikanie kurzu i brudu.
• Zakup jest często kosztowny, zwłaszcza w przypadku bezszczotkowych silników prądu stałego, ponieważ wymagają one bardziej złożonego sterowania niż proste sterowanie szczotkowe.

Silniki prądu przemiennego

W silnikach prądu przemiennego napięcie zmienia się regularnie ze względu na ciągłe zmiany kierunku prądu. Prędkość obrotowa silnika zależy od częstotliwości sieci i liczby biegunów. Występują jednofazowe i trójfazowe silniki prądu przemiennego. Jednofazowe silniki prądu przemiennego są używane głównie w mniejszych maszynach i urządzeniach gospodarstwa domowego, podczas gdy trójfazowe silniki prądu przemiennego są używane głównie w zastosowaniach przemysłowych ze względu na ich wyższą moc znamionową i wydajność. Poniższe silniki są przykładami silników prądu przemiennego:

• Silnik indukcyjny: Prędkość obrotowa silnika nie jest dokładnie zsynchronizowana z częstotliwością podłączonego prądu przemiennego. Różnica ta umożliwia obracanie się wirnika. Często pracują z trójfazowym prądem przemiennym, który jest szeroko stosowany w przemyśle, dlatego silnik indukcyjny jest jednym z najczęściej używanych silników. Silniki indukcyjne można podzielić na jednofazowe i trójfazowe.
• Silnik synchroniczny: Prędkość wirnika jest synchroniczna z wirującym polem magnetycznym stojana. Skutkuje to wysoką dokładnością i stałą prędkością obrotową, co jest ważne na przykład dla obrabiarek. Silniki synchroniczne można podzielić na jednofazowe i trójfazowe.

Serwomotory:

Serwomotorem może być silnikiem prądu stałego, asynchronicznym lub synchronicznym. Silniki te posiadają serwonapęd i zazwyczaj własną elektronikę sterującą. Serwonapęd to elektroniczny system sterowania, który precyzyjnie i w kontrolowany sposób pozycjonuje silnik, a także umożliwia zmiany prędkości w celu wykonywania precyzyjnych ruchów w różnych zastosowaniach, takich jak robotyka, maszyny CNC i systemy automatyki.

Zalety i wady silników prądu przemiennego

Zalety silników prądu przemiennego obejmują:

• Są trwalsze i wymagają mniej konserwacji, jeśli nie są używane szczotki
• Zamknięta konstrukcja ogranicza wnikanie zanieczyszczeń
• Wyższa wydajność
• Mogą osiągać duże prędkości
• Są ogólnie bardziej opłacalne

Wadą jest na przykład wyższy poziom hałasu spowodowany silniejszymi wibracjami. Ze względu na konstrukcję, prędkość obrotowa może być kontrolowana tylko poprzez zmianę częstotliwości i/lub może być kontrolowana przyrostowo poprzez przełączanie par biegunów. Do precyzyjnej kontroli mogą być wymagane dodatkowe komponenty. Ponadto silniki prądu przemiennego nie nadają się do zastosowań mobilnych, ponieważ akumulatory dostarczają napięcie prądu stałego (lub jest to możliwe tylko z dodatkowymi komponentami, takimi jak falowniki).

W zależności od lokalnych warunków i pożądanego zastosowania, można zastosować wiele różnych konstrukcji silników elektrycznych, dlatego MISUMI oferuje szeroką gamę silników.

Zasady działania silnika elektrycznego na przykładzie silnika prądu stałego

Gdy prąd elektryczny przepływa przez cewkę wirnika w silniku prądu stałego, wirnik zaczyna się obracać. Każde pół obrotu powoduje odwrócenie polaryzacji komutatora, aby zapewnić ciągły ruch silnika. W przeciwnym razie silnik obracałby się tylko do momentu, gdy północny biegun wirnika zetknąłby się z południowym biegunem stojana i zatrzymałby się w tej pozycji. Silnik z dwubiegunowym wirnikiem nie uruchamia się automatycznie w każdej pozycji, dlatego w silnikach elektrycznych często stosuje się wirniki z trzema lub więcej biegunami. Zasada jest nieco inna w przypadku silników liniowych: Zamiast wirnika, zastosowanie to wykorzystuje liniowo prowadzony wirnik (wózek) wyposażony w kilka cewek, który porusza się wzdłuż linii prostej. Magnesy stałe są instalowane w regularnych odstępach czasu. Poprzez celowe sterowanie cewkami, wirniki są poruszane przez pola magnetyczne zgodnie z tą samą zasadą działania, co w silniku obrotowym. Sterowane cewki mogą być umieszczone na wirniku, a także na liniowej ścieżce stojana w odwróconej konstrukcji.

Czynniki charakteryzujące silniki elektryczne

Charakterystyka silników ma kluczowe znaczenie dla ich wydajności i zastosowania w różnych obszarach technicznych i przemysłowych.

Moment obrotowy i prędkość

Moment obrotowy silnika wskazuje, jak dużą siłę może on wywierać na wał. Prędkość obrotowa odnosi się do prędkości, z jaką porusza się wał lub wirnik silnika liniowego. Silniki są zaprojektowane dla różnych momentów obrotowych i prędkości obrotowych w zależności od zastosowania. Charakterystyka prędkości obrotowej i momentu obrotowego jest istotna dla doboru silnika. Reprezentują one stosunek prędkości obrotowej do momentu obrotowego i mogą się znacznie różnić w niektórych przypadkach dla różnych typów silników (elektrycznych) i punktów pracy.

Gęstość mocy

Gęstość mocy silników elektrycznych odnosi się do stosunku między generowaną mocą silnika a jego rozmiarem lub masą. Nowoczesne silniki elektryczne mogą mieć wysoką gęstość mocy, a tym samym mogą dostarczać dużą moc w kompaktowej konstrukcji. Gęstość mocy jest zwykle mierzona w watach na kilogram (W/kg) lub watach na centymetr sześcienny (W/cm3), w zależności od tego, czy brana jest pod uwagę masa czy objętość silnika.

Sterowalność

Sterowalność silników elektrycznych odnosi się do możliwości kontrolowania lub regulowania prędkości, momentu obrotowego i innych parametrów pracy silnika w określony sposób. Jest to szczególnie przydatne w aplikacjach wymagających precyzyjnej kontroli.

• Prędkość obrotowa: Regulując prędkość obrotową, silnik można dostosować do różnych wymagań dotyczących prędkości.
• Moment obrotowy: Kontrola momentu obrotowego jest przydatna na przykład w przypadku zmiennych obciążeń. Silnikami elektrycznymi można sterować w celu zapewnienia momentu obrotowego potrzebnego do przemieszczania lub pokonywania obciążeń.
• Kierunek: Zmieniając kierunek prądu lub stosując specjalne obwody, silnik można dostosować do zastosowań zależnych od kierunku. Należą do nich na przykład silniki napędowe w przenośnikach taśmowych lub windach.
• Pozycjonowanie i precyzja: Precyzyjne pozycjonowanie i kontrola mają decydujące znaczenie na przykład w przypadku maszyn CNC. Często stosowane są tu silniki krokowe lub serwomotory.

Aby bezpiecznie i niezawodnie zintegrować silniki elektryczne, w naszym sklepie oferujemy dużą liczbę części przekładni, w tym paski zębate, koła zębate, pasy itp.

Okres eksploatacji i konserwacja

Żywotność silnika elektrycznego zależy od wielu czynników. Wpływ może mieć na przykład typ silnika, warunki pracy, konserwacja i jakość produkcji. Oto niektóre z kluczowych czynników wpływających na żywotność silnika elektrycznego:

• Typ silnika: Niektóre typy silników są bardziej wytrzymałe i trwałe niż inne. Na przykład, ze względu na bezszczotkową konstrukcję, bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) mają generalnie dłuższą żywotność niż silniki prądu stałego ze szczotkami.
• Warunki pracy: Czynniki takie jak temperatura, wilgotność, obciążenia udarowe i wibracje mogą znacząco wpływać na żywotność. Do tego celu służą również urządzenia zabezpieczające silnik, takie jak ochrona przed przegrzaniem i przepięciem.
• Cykl pracy: Długość i częstotliwość pracy wpływają na żywotność. Silniki pracujące w trybie ciągłym często mają krótszą żywotność.
• Konserwacja Ogólnie rzecz biorąc, silniki elektryczne są łatwe w konserwacji – wyjątkiem są silniki elektryczne ze szczotkami/stykami ściernymi. Jednak regularna kontrola i konserwacja, np. łożysk i części zużywających się, może znacznie wydłużyć cykl życia silnika.

Chłodzenie silnika elektrycznego

Chłodzenie silników elektrycznych ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia ich wydajnej pracy i utrzymania bezpiecznych temperatur roboczych. Przegrzanie może znacznie skrócić żywotność silnika elektrycznego i prowadzić do awarii. Oto kilka popularnych metod chłodzenia silników elektrycznych:

• Chłodzenie powietrzem
• Żebra chłodzące i radiatory
• Chłodziwo
• Chłodzenie olejem
• Chłodzenie cieczą
• Czujniki temperatury i elementy sterujące