Silnik PMSM lub BLDC: jaka jest różnica między tymi dwoma rodzajami silników z magnesami trwałymi?
Karty techniczne czasami mówią o silnikach "BLDC", a czasami o silnikach "PMSM", a czasami używają tych określeń dla silników, które wydają się identyczne. To nie jest przypadek: te dwie nazwy oznaczają bardzo bliskie warianty. Ten przewodnik wyjaśnia, czym się naprawdę różnią i dlaczego ta kwestia jest szczególnie ważna dla kontrolera.
Najważniejsze
- Silniki BLDC i PMSM to dwa rodzaje silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi, które są zasadniczo konstruowane w podobny sposób.
- Różnica polega na kształcie napięcia generowanego przez silnik podczas obrotu: w silnikach BLDC jest to kształt trapezowy, a w silnikach PMSM – sinusoidalny.
- Silnik BLDC naturalnie współpracuje z sterowaniem impulsowo-liniowym, natomiast silnik PMSM najlepiej działa z sterowaniem sinusoidalnym lub wektorowym (FOC).
- W praktyce, większość silników w hulajnogach bardzo dobrze działa w trybie FOC, niezależnie od ich marki.
To, co je łączy
Oba silniki posiadają:
- magnesy trwałe umieszczone na części obrotowej, czyli rotorze;
- uzwojenia umieszczone na części nieruchomej, czyli statorze, rozmieszczone w trzech fazach;
- brak szczotek: jest to kontroler, który przełącza prąd elektronicznie, stąd nazwa „bezszczotkowy”, co oznacza brak szczotek.
Silnik w piaście hulajnogi jest tego typu, charakteryzujący się jedną cechą: rotor znajduje się na zewnątrz. Magnesy są przyklejone do wnętrza obręczy, która obraca się wokół statora zamocowanego do osi. Mówimy o silniku z zewnętrznym rotorem.
Rzeczywista różnica: siła elektromotoryczna przeciwna
Kiedy obracamy silnik z magnesami ręcznie, generuje on napięcie na swoich zaciskach – jest to działanie podobne do generatora. To napięcie nazywane jest siłą elektromotoryczną przeciwną. Jego kształt zależy od sposobu rozmieszczenia uzwojeń oraz od konfiguracji magnesów.
| BLDC | PMSM | |
|---|---|---|
| Kształt napięcia generowanego | Trapezoidalny (płaskie powierzchnie i pochylenia) | Sinusoida |
| Sterowanie naturalne | Fala prostokątna, sześć kroków na obrót silnika | Fale sinusoidalna lub sterowanie wektorowe (FOC) |
| Połączenie z intuicyjnym sterowaniem | Lekkie wahania przy każdej zmianie przełożenia | Bardzo stabilny |
| Typowe czujniki | Wystarczy trzy czujniki Halla | Wymagana precyzyjna pozycja: wykorzystanie enkodera, resolvera lub metody szacowania |
Przy sterowaniu falą prostokątną, prąd jest dostarczany stopniowo w dwóch fazach jednocześnie. Jeśli napięcie silnika ma podobny kształt, moment obrotowy pozostaje prawie stały – to zasada działania silników BLDC. Przy sterowaniu sinusoidalnym, prąd płynnie się zmienia w trzech fazach; jeśli napięcie silnika również jest sinusoidalne, moment obrotowy jest idealnie gładki – to zasada działania silników PMSM.
W rzeczywistości, granica jest nieostra
Większość rzeczywistych silników znajduje się pomiędzy tymi dwoma skrajnościami: ich napięcie nie jest ani idealnym trapezem, ani czystą sinusoidą. Dlatego ten sam silnik do hulajnogi może być sprzedawany pod różnymi nazwami.
W praktyce, w warsztacie, większość silników wbudowanych w hulajnogi bardzo dobrze działa w trybie sterowania wektorowego (FOC), co sprawia, że są cichsze i bardziej płynne niż w trybie prostokątnym. Dokładny kształt ich napięcia ma jedynie niewielki wpływ na wynik.
A co z silnikiem synchronicznym i silnikiem asynchronicznym?
« Synchroniczny » oznacza, że rotor obraca się dokładnie w rytmie pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenia: tak jest w przypadku silników z magnesami, takich jak BLDC i PMSM. Silnik asynchroniczny, z kolei, nie posiada magnesów: pole magnetyczne rotora jest indukowane przez stator, a rotor obraca się nieco wolniej niż pole. Jest on bardziej wytrzymały i nie zawiera magnesów, ale przy tej samej mocy jest mniej kompaktowy i rzadko spotykany w małych pojazdach.
Magnesy umieszczone na powierzchni lub wewnątrz
Wśród silników PMSM wyróżnia się jeszcze silniki z magnesami umieszczonymi na powierzchni rotora (SPM) oraz silniki z magnesami umieszczonymi wewnątrz (IPM). Ta różnica ma duży wpływ na zachowanie silnika przy wysokich prędkościach, co jest tematem naszego przewodnika silniki IPM i SPM.
Co się zmienia, kiedy wybieramy silnik
- Nazwa, czy to BLDC, czy PMSM, jest mniej ważna niż napięcie, prąd, z jakim silnik może pracować, system chłodzenia oraz stała prędkości silnika. Zapraszamy do zapoznania się z naszym przewodnikiem na temat Kv, Kt i liczby biegunów.
- Kontroler musi być w stanie odczytywać dane z czujników, którymi jest wyposażony silnik.
- Nasze silniki do hulajnóg elektrycznych to silniki bezszczotkowe, dostępne w wersjach o wysokiej prędkości i wysokim momencie obrotowym.
Często zadawane pytania
Czy można sterować silnikiem BLDC w trybie FOC?
Tak. Sterowanie wektorowe działa bardzo dobrze w większości silników, które są określane jako BLDC, zapewniając cichszą i bardziej płynną pracę. Moment obrotowy może wykazywać niewielkie wahania, jeśli napięcie zasilające silnik znacznie odbiega od kształtu sinusoidalnego, ale rzadko jest to problematyczne.
Jak mogę dowiedzieć się, czy mój silnik jest typu BLDC czy PMSM?
Obserwując za pomocą oscyloskopu napięcie między dwiema fazami podczas obracania silnika ręcznie, regularna fala sinusoidalna wskazuje na silnik PMSM, a płaskie obszary – na silnik BLDC. W praktyce, rzadko jest to informacja, której się potrzebuje.
Czy silnik hulajnogi jest silnikiem synchronicznym?
Tak. Jest to silnik z magnesami trwałymi, a więc silnik synchroniczny: jego prędkość obrotowa jest bezpośrednio związana z częstotliwością prądu, który do niego doprowadza kontroler.