W dziedzinie silników elektrycznychSilniki synchroniczne z magnesami trwałymi(PMSM) i bezszczotkowe silniki prądu stałego (BLDC) wyróżniają się jako dwa najpopularniejsze rozwiązania do różnych zastosowań. Jako dostawca PMSM miałem zaszczyt blisko współpracować z tymi silnikami, rozumieć ich zawiłości i być świadkiem ich działania w różnorodnych ustawieniach. Na tym blogu zagłębię się w różnice między silnikami PMSM i BLDC, rzucając światło na ich unikalne cechy, zalety i zastosowania.
Podstawowe zasady
Zacznijmy od podstawowych zasad działania tych dwóch typów silników. Zarówno silniki PMSM, jak i BLDC są silnikami synchronicznymi, których podstawą są magnesy trwałe na wirniku. Jednak ich uzwojenia stojana i metody sterowania znacznie się różnią.
Silnik BLDC działa w oparciu o trapezoidalny przebieg fali EMF (siły elektromotorycznej). Uzwojenia stojana są zasilane sekwencyjnie, aby wytworzyć wirujące pole magnetyczne. Komutacją w silniku BLDC steruje się zwykle za pomocą czujników Halla, które wykrywają położenie magnesów wirnika i wysyłają sygnały do sterownika silnika w celu przełączenia prądu w uzwojeniach stojana w odpowiednim momencie. Rezultatem jest stosunkowo prosty schemat sterowania, dzięki czemu silniki BLDC są opłacalne w wielu zastosowaniach.
Z drugiej strony PMSM działa na fali sinusoidalnej - EMF. Uzwojenia stojana są zaprojektowane tak, aby wytwarzać sinusoidalne pole magnetyczne, które synchronizuje się z magnesami trwałymi na wirniku. Aby to osiągnąć, PMSM często wymagają bardziej zaawansowanych algorytmów sterowania, takich jak sterowanie zorientowane na pole (FOC). FOC pozwala na precyzyjną kontrolę momentu obrotowego i prędkości silnika poprzez rozdzielenie prądu stojana na dwie składowe: część wytwarzającą moment obrotowy i część wytwarzającą strumień.
Budowa
Konstrukcja silników PMSM i BLDC również wykazuje pewne różnice.
W silniku BLDC uzwojenia stojana są zwykle uzwojeniami skupionymi. Uzwojenia te są stosunkowo łatwe w wykonaniu i ułożone w sposób ułatwiający proces komutacji. Wirnik ASilnik BLDCzazwyczaj ma prostą konstrukcję z magnesami trwałymi zamontowanymi na jego powierzchni. Zastosowanie czujników Halla do komutacji sprawia, że ogólny projekt jest mniej skomplikowany.
W przypadku PMSM uzwojenia stojana są często uzwojeniami rozproszonymi. Rozproszone uzwojenia pomagają wytworzyć bardziej sinusoidalne pole magnetyczne, które jest niezbędne dla płynnej pracy silnika. Wirnik może mieć różne konfiguracje, np. z magnesami trwałymi montowanymi powierzchniowo (SPM) lub z magnesami trwałymi wewnątrz (IPM). Wirniki IPM są szczególnie interesujące, ponieważ oprócz momentu magnetycznego oferują dodatkowy moment reluktancyjny, co może poprawić wydajność i wydajność silnika.
Charakterystyka wydajności
Moment obrotowy i prędkość
PMSM generalnie oferują wyższą gęstość momentu obrotowego w porównaniu do silników BLDC. Sterowanie sinusoidalne PMSM pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie pola magnetycznego, co skutkuje lepszym wytwarzaniem momentu obrotowego na jednostkę objętości. To sprawia, że PMSM są doskonałym wyborem do zastosowań, w których wymagany jest wysoki moment obrotowy w niewielkiej przestrzeni, np. w pojazdach elektrycznych i robotyce przemysłowej.
Jeśli chodzi o kontrolę prędkości, PMSM mają szerszy zakres prędkości i lepszą regulację prędkości. Zaawansowane algorytmy sterowania stosowane w PMSM, takie jak FOC, umożliwiają precyzyjną kontrolę prędkości silnika nawet w zmiennych warunkach obciążenia. Silniki BLDC, chociaż zapewniają dobrą kontrolę prędkości, mogą mieć ograniczenia w osiąganiu tego samego poziomu precyzji i pracy w szerokim zakresie prędkości.
Efektywność
PMSM są często bardziej wydajne niż silniki BLDC, szczególnie przy wyższych prędkościach i warunkach zmiennego obciążenia. Sinusoidalna praca PMSM zmniejsza straty harmoniczne w silniku, co prowadzi do lepszej ogólnej sprawności. Dodatkowo możliwość optymalizacji składowych wytwarzających moment obrotowy i strumień prądu stojana w PMSM poprzez FOC dodatkowo zwiększa wydajność.
Jednak silniki BLDC mogą być dość wydajne w zastosowaniach, w których działają ze stałą prędkością i obciążeniem. Ich prosty schemat sterowania i skoncentrowane uzwojenia powodują stosunkowo niskie straty przy pracy w stanie ustalonym.
Aplikacje
Różnice w wydajności i konstrukcji silników PMSM i BLDC prowadzą do odrębnych obszarów zastosowań.
Silniki BLDC są powszechnie stosowane w zastosowaniach, w których kluczowa jest opłacalność, prostota i umiarkowana wydajność. Są szeroko stosowane w elektronice użytkowej, takiej jak wentylatory chłodzące do komputerów, drony i drobny sprzęt AGD. Łatwość sterowania i stosunkowo niski koszt czynią je idealnym wyborem do zastosowań na rynku masowym.
Z drugiej strony PMSM są preferowane w zastosowaniach o wysokiej wydajności. W przemyśle motoryzacyjnym PMSM są stosowane w pojazdach elektrycznych i hybrydowych ze względu na ich wysoką gęstość momentu obrotowego i wydajność. Zastosowania przemysłowe, takie jak serwonapędy, obrabiarki i robotyka, również opierają się na PMSM w celu precyzyjnego sterowania prędkością i momentem obrotowym. Na przykład [silnik PMSM 48 V](/motor/permanent - magnet - synchronous - motor/48v - pmsm - motor.html) jest często używany w różnych małych i średnich zastosowaniach przemysłowych i motoryzacyjnych, gdzie dostępne jest stabilne zasilanie 48 V. [Moc silnika - Silnik bezszczotkowy](/motor/permanent - magnes - synchroniczny - silnik/silnik - moc - bezszczotkowy - motor.html) może zapewnić wysoką moc i wydajną pracę w wymagających zastosowaniach. [Silnik bezramowy](/motor/permanent - magnes - synchroniczny - silnik/bezramowy - motor.html) oferuje kompaktowe i zintegrowane rozwiązanie do zastosowań, w których przestrzeń jest ograniczona.
Rozważania dotyczące kosztów
KosztPMSMi silniki BLDC to kolejny aspekt, w którym się różnią. Silniki BLDC są generalnie tańsze w produkcji ze względu na prostszą konstrukcję i schemat sterowania. Zastosowanie skoncentrowanych uzwojeń i czujników efektu Halla zmniejsza złożoność i koszty produkcji. To sprawia, że silniki BLDC są bardziej przyjazną dla budżetu opcją do zastosowań z ograniczeniami kosztowymi.
PMSM są jednak droższe. Konieczność stosowania rozproszonych uzwojeń, zaawansowanych algorytmów sterowania i czasami bardziej złożonych konstrukcji wirników zwiększa koszty produkcji. Dodatkowo koszt sterownika silnika dla PMSM jest wyższy ze względu na zapotrzebowanie na bardziej wyrafinowaną elektronikę sterującą.
Złożoność sterowania
Jak wspomniano wcześniej, złożoność sterowania tych dwóch typów silników znacznie się różni. Silniki BLDC mają stosunkowo prosty układ sterowania. Czujniki Halla dostarczają podstawowych informacji o położeniu wirnika, a sterownik silnika może wykorzystać te informacje do prostego przeprowadzenia komutacji. Ta prostota ułatwia inżynierom wdrażanie sterowania silnikiem BLDC w różnych zastosowaniach.
PMSM wymagają bardziej złożonych algorytmów sterowania. Na przykład FOC obejmuje transformacje współrzędnych i złożone obliczenia w celu dokładnego kontrolowania składowych prądu stojana. Wymaga to wydajniejszych mikrokontrolerów lub cyfrowych procesorów sygnałowych (DSP) do wykonywania algorytmów sterujących w czasie rzeczywistym. Większa złożoność sterowania oznacza również, że do projektowania i dostrajania systemów sterowania PMSM potrzebna jest większa wiedza specjalistyczna.
Wniosek
Podsumowując, silniki PMSM i BLDC mają swoje unikalne cechy, zalety i wady. Silniki BLDC są znane ze swojej prostoty, opłacalności i przydatności do zastosowań o umiarkowanych wymaganiach wydajnościowych. Z drugiej strony PMSM oferują wysoką gęstość momentu obrotowego, wydajność i precyzyjną kontrolę, co czyni je idealnymi do zastosowań o wysokiej wydajności.
Jako dostawca PMSM rozumiem znaczenie wyboru odpowiedniego silnika do konkretnego zastosowania. Niezależnie od tego, czy szukasz silnika do wysokiej klasy maszyny przemysłowej, czy produktu konsumenckiego, ważne jest, aby wziąć pod uwagę takie czynniki, jak wydajność, koszt i złożoność sterowania.
Jeśli jesteś na rynku silników PMSM i chcesz dowiedzieć się więcej o naszych produktach lub omówić swoje specyficzne wymagania, zapraszamy do skontaktowania się z nami w celu omówienia zakupu. Nasz zespół ekspertów jest gotowy pomóc Ci w znalezieniu idealnego rozwiązania silnikowego odpowiadającego Twoim potrzebom.
Referencje
- Krause, PC, Wasyńczuk, O. i Sudhoff, SD (2013). Analiza maszyn elektrycznych i układów napędowych. Wiley’a.
- Millera, TJE (1989). Bezszczotkowe stałe – napędy magnetyczne i silnikowe reluktancyjne. Wydawnictwo Uniwersytetu Oksfordzkiego.