Sensor Technology

in English

Silnik elektryczny to urządzenie, które przekształca energię elektryczną na mechaniczną. Wykorzystuje energię elektryczną i pole magnetyczne do wytwarzania momentu obrotowego obracającego wirnik i zapewniającego pracę mechaniczną.

W zależności od zastosowania silnikami steruje się przy użyciu komputerowych systemów sterowania, takich jak półprzewodnikowe sterowniki logiczne, albo przy użyciu sterowników programowalnych (PLC). Sterowanie zapewnia kontrolę nad momentem obrotowym, prędkością obrotową, pracą i dostarczaną energią. Sterowniki silników mogą być wyposażone w różne funkcje sterowania, w tym uruchamianie, zatrzymywanie, zabezpieczenia przed przetężeniem i przepięciem, odwracanie kierunku, zmiana prędkości, ruch skokowy, hamowanie przeciwprądowe i kontrola sekwencyjna. Sterowniki silników mogą być zarówno proste, jak i złożone, a także umożliwiać sterowanie jednym lub wieloma silnikami.

Silniki dzielą się na dwie ogólne kategorie — silniki prądu zmiennego (AC) i silniki prądu stałego (DC) — w zależności od źródła energii elektrycznej.

Silniki DC: szeregowe, bocznikowe/równoległe i złożone w zależności od uzwojenia cewek pola i tworników. Inne typy silników DC to silniki z magnesem trwałym (PMDC) i wzbudzane osobno.

Silniki AC: silniki indukcyjne AC (nazywane także silnikami asynchronicznymi) i silniki synchroniczne. Silniki te dodatkowo dzieli się na kategorie według zastosowania — istnieją silniki jednofazowe, trójfazowe, indukcyjne klatkowe, dwunapięciowe itp.

Read more

Bądź na bieżąco

Nadążaj za najnowszymi informacjami i ekskluzywnymi ofertami!

Moduły konstrukcyjne sterowania silnikami

Wskaż kursorem poniższe ikony, aby uzyskać więcej informacji

Silniki

Sterowanie silnikami

Silniki i napędy

Czujniki

Kable, przewody

Zestawy rozwojowe silników

Półprzewodniki – układy scalone

Półprzewodniki – elementy dyskretne

Filtry rozruchowe/pracy/liniowe silnika

Rozwiązania kontrolno-pomiarowe

Silnik szczotkowy DC (BDC)

Silniki szczotkowe DC (BDC) biorą swoją nazwę od „szczotek” używanych do komutacji. Szczotkowe silniki DC są często stosowane w urządzeniach AGD i samochodach. Mają także własną niszę dzięki możliwości zmiany współczynnika momentu obrotowego i prędkości, wyjątkowej dla silników szczotkowych. BDC są łatwe w sterowaniu, ponieważ prędkość obrotowa i moment obrotowy są proporcjonalne do przyłożonego napięcia/natężenia.

Szczotkowy silnik DC składa się z 4 podstawowych elementów: stojana, wirnika (twornika), szczotek i komutatora. Wirnik, nazywany także twornikiem, składa się z jednego lub większej liczby uzwojeń. W momencie doprowadzenia zasilania uzwojenia te wytwarzają pole magnetyczne. Bieguny magnetyczne pola wirnika są przyciągane do przeciwnych biegunów generowanych przez stojan, powodując obracanie się wirnika. W miarę obrotów wirnika uzwojenia są stale zasilane w różnej kolejności, dzięki czemu bieguny magnetyczne generowane przez wirniki nie nachodzą na bieguny generowane w stojanie. To przełączanie pola w uzwojeniach wirnika nosi nazwę komutacji. Kierunek obrotu, w prawo i/lub w lewo, można łatwo odwrócić, odwracając polaryzację szczotek, tj. odwracając bieguny akumulatora.

Istnieją cztery typy silników BDC. Są to: silniki szczotkowe z magnesem trwałym DC, bocznikowe silniki szczotkowe DC, szeregowe silniki szczotkowe DC oraz silniki szeregowobocznikowe, które są połączeniem konstrukcji bocznikowych i szeregowych.

Silnik bezszczotkowy DC (BLDC)

Bezszczotkowe silniki DC (BLDC) są nazywane także silnikami komutowanymi elektronicznie. Wirnik nie jest wyposażony w szczotki, a komutacja jest przeprowadzana elektronicznie w określonych pozycjach wirnika. Silnik BLDC jest silnikiem synchronicznym z magnesem trwałym o wyjątkowym kształcie fal elektromagnetycznych, który umożliwia zachowanie podobne do silników DC wyposażonych w szczotki. Silnik BLDC nie korzysta bezpośrednio ze źródła napięcia DC. Jednak zasada działania jest podobna do silników DC.

Bezszczotkowe silniki DC są wyposażone w wirnik z magnesami trwałymi oraz stojan z uzwojeniem. Silniki BLDC to praktycznie silniki DC odwrócone do wewnątrz. Wyeliminowano z nich szczotki i komutatory, a uzwojenie podłączono do elektroniki sterującej. Elektronika sterująca zastępuje komutator i zapewnia zasilanie odpowiednich uzwojeń. Uzwojenia są zasilane zgodnie ze wzorem umożliwiającym obrót wokół stojana. Zasilane uzwojenie stojana prowadzi magnes wirnika i przełącza się w momencie wyrównania wirnika ze stojanem.

Bezszczotkowe silniki DC to idealny wybór w zastosowaniach wymagających wysokiego poziomu niezawodności i wydajności oraz wysokiego współczynnika mocy do wielkości. Zasadniczo silniki BLDC są uznawane za wysokowydajne konstrukcje, które zapewniają wysoki moment obrotowy w szerokim zakresie prędkości.

Silnik indukcyjny AC

Jednym z najpopularniejszych typów silników elektrycznych do różnych zastosowań są silniki indukcyjne. Silniki te są nazywane także silnikami asynchronicznymi, ponieważ wirnik obraca się zawsze z prędkością niższą niż pole, tworząc asynchroniczny silnik AC. Pracują z prędkością mniejszą niż prędkość synchroniczna. Silniki indukcyjne AC dzielą się na jednofazowe i wielofazowe. Jednofazowe układy zasilania są używane znacznie częściej niż trójfazowe w gospodarstwach domowych, handlu i niektórych zastosowaniach przemysłowych.

Stojan silnika składa się z nachodzących na siebie uzwojeń. W przypadku podłączenia uzwojenia pierwotnego lub stojana do źródła zasilania AC tworzy ono obracające się pole magnetyczne, która obraca się z prędkością synchroniczną. Teoretyczna prędkość wirnika w silniku indukcyjnym jest zależna od częstotliwości źródła zasilania AC oraz liczby cewek, które tworzą stojan. W przypadku braku obciążenia silnika jest to prędkość zbliżona do prędkości obracającego się pola magnetycznego. Silnik obraca się ze stałą prędkością, chyba że jest konstrukcją o zmiennej częstotliwości.

Największą zaletą silników indukcyjnych AC jest ich prostota. Zawierają tylko jedną ruchomą część — wirnik — dzięki czemu są tanie, ciche, trwałe i względnie bezawaryjne. Silniki indukcyjne mogą być stosunkowo ciężkie i duże ze względu na swoje uzwojenia. Trójfazowe silniki indukcyjne są stosowane powszechnie w napędach przemysłowych, dźwigach, żurawiach, tokarkach itp., ponieważ są trwałe, niezawodne i ekonomiczne. Silników indukcyjnych jednofazowych używa się z reguły w przypadku mniejszych obciążeń, takich jak urządzenia domowe — wentylatory, pompy, roboty kuchenne, zabawki, odkurzacze, wiertarki itp.

Silnik synchroniczny z magnesem trwałym (PMSM)

Silnik synchroniczny z magnesem trwałym (PMSM) to silnik synchroniczny AC, w którym wzbudzanie pola zapewniają magnesy trwałe. Fale elektromagnetyczne mają kształt sinusoidalny. Konstrukcje PMSM to skrzyżowanie silnika indukcyjnego i bezszczotkowego silnika DC. Podobnie jak bezszczotkowe silniki DC są wyposażone w wirnik z magnesem trwałym oraz uzwojenie na stojanie. Jednak struktura stojana z uzwojeniem zapewniająca sinusoidalną gęstość strumienia w szczelinie powietrznej urządzenia przypomina silniki indukcyjne. Gęstość mocy tych silników jest wyższa niż w przypadku silników indukcyjnych o tej samej mocy znamionowej, ponieważ żadna część mocy stojana nie jest wykorzystywana do wytwarzania pola magnetycznego.

Dzięki magnesom trwałym silniki PMSM mogą generować moment obrotowy przy zerowej prędkości. Zazwyczaj do pracy wymagają falownika sterowanego cyfrowo. Silniki synchroniczne z magnesem trwałym są używane zazwyczaj w napędach o wysokiej sprawności i wydajności. Cechy charakterystyczne to płynny ruch obrotowy w całym zakresie prędkości obrotowej silnika, pełna kontrola momentu obrotowego przy zerowej prędkości, a także szybkie przyspieszanie i zwalnianie.

W celu zapewnienia odpowiedniego sterowania w silnikach PMSM stosuje się technologie sterowania wektorowego. Technologie sterowania wektorowego są nazywane często sterowaniem zorientowanym polowo (FOC). Podstawowa idea stojąca za algorytmem sterowania wektorowego to rozdzielenie prądu stojana na część generującą pole magnetyczne i część generującą moment obrotowy. Po rozdzieleniu oboma składnikami można sterować oddzielnie.

Silnik krokowy

Silnik krokowy to bezszczotkowy silnik elektryczny DC, który dzieli pełny obrót na kilka równych kroków. Każdy krok obejmuje obrót przekładający się na określoną odległość. Liczba wykonywanych kroków steruje stopniem obrotu wałka silnika.

Silniki krokowe mają pewne naturalne możliwości sterowania położeniem dzięki wbudowanym krokom wyjściowym. Umożliwia to bardzo dokładne sterowanie odległością i szybkością obrotu silnika krokowego. Liczba kroków wykonywanych przez silnik jest równa liczbie poleceń impulsowych przekazanych przez sterownik. Silnik krokowy obraca się o odległość i w tempie proporcjonalnym do liczby i częstotliwości poleceń impulsowych.

Sterownik silnika krokowego może zawierać pętlę otwartą lub zamkniętą. Różnica między dwoma typami polega na tym, że układ z pętlą otwartą przesyła do silnika względnie stały sygnał, przy założeniu że obracające się pole wirnika jest spójne. Układ z pętlą zamkniętą wykorzystuje sprzężenie zwrotne do regulowania mocy zgodnie z obciążeniem silnika. Większość zastosowań silników wykorzystuje pętlę otwartą, ponieważ jest to rozwiązanie prostsze i tańsze.

Silniki krokowe mają kilka zalet w porównaniu z innymi typami silników. Jedną z najbardziej imponujących jest zdolność do bardzo precyzyjnego pozycjonowania. Umożliwia to osiągnięcie tej samej pozycji przy każdym obrocie. Standardowe silniki krokowe charakteryzują się precyzją kątową kroku na poziomie +/-5%. Błąd ten nie akumuluje się z kroku na krok.

Serwosilnik

Serwosilnik to siłownik obrotowy lub liniowy, który umożliwia reaktywne, precyzyjne sterowanie położeniem kątowym albo liniowym, prędkością i przyspieszeniem. Silniki te pozwalają na precyzyjną kontrolę kąta obrotu i prędkości, dzięki czemu mogą być używane w różnych zastosowaniach. Są stosowane w robotyce, obrabiarkach cyfrowych i przy produkcji automatycznej, zazwyczaj jako wysoce skuteczna alternatywa dla silników krokowych.

Systemy serwomechanizmów łączą wydajne serwosilniki i serwowzmacniacze (napędy), aby zapewnić wyjątkowo precyzyjne sterowanie pozycją, prędkością lub momentem obrotowym. Serwomechanizmy zawierają zintegrowane koła zębate i wałki z możliwością precyzyjnej kontroli. Obwody serwomechanizmów są wbudowane bezpośrednio w moduł silnika i zawierają ruchome wałki, zazwyczaj z zamontowanym kołem zębatym. Sterowanie silnikiem odbywa się przy użyciu sygnału elektrycznego, który określa stopień ruchu wałka.

W przypadku sterowania w pętli zamkniętej na silniku jest zamontowany czujnik obrotu (enkoder), który przekazuje informację o pozycji/prędkości obrotu wałka silnika z powrotem do sterownika. Sterownik oblicza błąd sygnału impulsowego lub napięcie analogowe (polecenie pozycji/prędkości obrotowej) na podstawie sygnału z kontrolera i sygnału sprzężenia zwrotnego (bieżące położenie/prędkość obrotowa) i tak reguluje obroty silnika, aby błąd wynosił zero. Metoda sterowania w pętli zamkniętej wykorzystuje sterownik, silnik i enkoder, dzięki czemu silnik może przeprowadzać niezwykle precyzyjne operacje pozycjonowania. W układzie sterowania położeniem kontroler odbiera sygnał impulsowy, a następnie, zgodnie z numerem impulsu, steruje prędkością i pozycją zatrzymania.