Ile razy otwierałeś narzędzie elektryczne i byłeś zdumiony jego złożonym działaniem wewnętrznym? Sercem tych urządzeń jest silnik – element przekształcający energię elektryczną w ruch mechaniczny. W tym artykule opisano działanie silników prądu stałego (zwanych także silnikami uniwersalnymi), porównano je z innymi typami silników i przedstawiono oparty na danych wgląd w ich zastosowania.

Silniki prądu stałego, zwłaszcza silniki uniwersalne, ze względu na swoją stosunkowo prostą konstrukcję stanowią doskonałe wprowadzenie do technologii silników. Można je powszechnie spotkać w ręcznych elektronarzędziach, takich jak wiertarki, routery, wyrzynarki i szlifierki. Aby zrozumieć ich działanie, zbadamy kluczowe elementy, dokonując sekcji wiertarki elektrycznej.

Tradycyjny wirnik silnika prądu stałego składa się z metalowego żelaznego rdzenia owiniętego miedzianymi cewkami. Cewki te łączą się z punktami stykowymi zwanymi komutatorem na jednym końcu. Kiedy prąd zostanie przyłożony do przeciwległych styków komutatora, wirnik staje się elektromagnesem z biegunami ustawionymi zgodnie z położeniem prądu.

Zasadę tę można zademonstrować za pomocą cienkich drutów podłączonych do komutatora i kompasu w celu wykrycia generowanego pola magnetycznego. Zmiana aktualnego punktu przyłożenia powoduje odpowiednią zmianę pola magnetycznego, odsłaniając podstawowy mechanizm obrotu silnika prądu stałego: przełączanie prądu napędza obrót pola magnetycznego.

Silniki prądu stałego działają poprzez interakcję elektromagnetyczną. Wirnik (jako elektromagnes) zwykle utrzymuje około 90 stopni różnicy kątowej w stosunku do biegunów magnetycznych stojana. Przeciwne bieguny przyciągają się, powodując obrót wirnika w kierunku wyrównania. Kluczową innowacją jest to, że elektromagnetyczna natura wirnika umożliwia ciągły obrót w miarę przesuwania się prądu na stykach komutatora.

Chociaż podstawowe demonstracje potwierdzają zasady, są one nieefektywne. Strumień magnetyczny wymaga pełnego obwodu – przepuszczalność żelaza jest około 1000 razy większa niż przepuszczalność powietrza, co wyjaśnia, dlaczego w wirnikach silników zastosowano żelazne rdzenie. Praktyczne wdrożenia wykorzystują elementy żelazne w kształcie litery C z magnesami ziem rzadkich w celu optymalizacji ścieżek pola magnetycznego.

Silniki pracujące pełnią jednocześnie funkcję generatorów. Ręczny obrót może wytworzyć w demonstracjach do 0,6 V – ta wsteczna siła elektromotoryczna (EMF) wytwarza przeciwne napięcie, które ogranicza maksymalną prędkość przy danych napięciach. Praktyczne silniki uniwersalne zwykle działają z prędkością 100–200 obrotów na sekundę.

W rzeczywistych silnikach stojany ściśle dopasowują się do krzywizny wirnika, utrzymując szczeliny powietrzne poniżej 1 milimetra. Taka konstrukcja minimalizuje opór magnetyczny, znacznie poprawiając wydajność.

Prąd dociera do komutatora poprzez szczotki węglowe – przewodzące, a jednocześnie trwałe elementy dociskane do komutatora za pomocą sprężyn. Chociaż ostatecznie ulegają one zużyciu (ograniczając żywotność silnika), idealnie nadają się do zastosowań takich jak elektronarzędzia, gdzie dopuszczalne są sporadyczne awarie.

Oprócz silników prądu stałego istnieje kilka innych typów silników, które służą różnym celom w różnych branżach.

Silniki indukcyjne, powszechnie stosowane w lodówkach, piecach, pompach i wentylatorach, oferują prostą konstrukcję i niezawodne działanie w przypadku długotrwałej pracy bez nadzoru.

Coraz częściej stosowane w narzędziach bezprzewodowych, zastępują one szczotki z elektronicznym przełączaniem. Wirnik zawiera magnesy trwałe, podczas gdy w stojanie znajdują się kontrolowane uzwojenia. Ich wyjątkowa wydajność i trwałość sprawiają, że nadają się do zaawansowanych narzędzi akumulatorowych i pojazdów elektrycznych.

Idealne do skanerów, starszych drukarek i routerów CNC, silniki krokowe oferują sterowane komputerowo pozycjonowanie bez czujników sprzężenia zwrotnego. Choć mają ograniczoną prędkość i moc, ich przystępność cenowa i prostota sterowania zachowują znaczenie w zastosowaniach precyzyjnych.

Wybór odpowiedniego silnika wymaga zrównoważenia wielu czynników technicznych i ekonomicznych poprzez analizę ilościową.

• Efektywność:Bezszczotkowe silniki prądu stałego zazwyczaj przodują w konwersji energii
• Prędkość:Uniwersalne i bezszczotkowe silniki prądu stałego doskonale sprawdzają się w zastosowaniach wymagających wysokich obrotów
• Moment obrotowy:Silniki indukcyjne zapewniają duży moment rozruchowy przy dużych obciążeniach

• Koszt początkowy:Silniki uniwersalne są najtańsze; silniki bezszczotkowe i krokowe są droższe
• Konserwacja:Konstrukcje bezszczotkowe zmniejszają długoterminowe koszty poprzez wyeliminowanie zużycia szczotek

Średni czas między awariami (MTBF) faworyzuje silniki indukcyjne ze względu na ich mechaniczną prostotę.

• Narzędzia ręczne:Silniki uniwersalne (koszt) vs. bezszczotkowe (wydajność)
• Urządzenia:Pod względem trwałości dominują silniki indukcyjne
• Sprzęt przemysłowy:Silniki indukcyjne do zasilania; steppery zapewniające precyzję

Zrozumienie typów silników i ich charakterystyk umożliwia inżynierom i projektantom podejmowanie świadomych decyzji, równoważąc wymagania dotyczące wydajności, ograniczenia kosztowe i potrzeby w zakresie niezawodności. Analiza ilościowa dostarcza obiektywnych kryteriów wyboru optymalnej technologii silnika dla każdego unikalnego zastosowania.