Witam
Myśl o napisaniu podobnego kompendium krążyła mi pod czaszką od dawna, ale w sumie dopiero pod koniec mojego pobytu w sanatorium zacząłem nadawać jej fizyczne kształty. Doskonale zdaję sobie sprawę ze złożoności zagadnienia, dlatego – by nikogo nie zanudzać – postaram się zawrzeć najistotniejsze wątki w jakimś jednym prostym mikroopracowaniu..
Zacznijmy od wyprostowania nazewnictwa, gdyż już tutaj pojawiają się błędy – które powtarzane później – całkowicie zaciemniają i gmatwają sedno tematu. Otóż –
BLCD oznacza
Brush
Less
Direct-
Current
motor, czyli –
silnik bezszczotkowy prądu stałego, czyli –
silnik zasilany prądem stałym, nie posiadający szczotek. Piszę o tym dlatego, że wielu ludzi sądzi iż skoro silnik posiada 3 przewody to jest to silnik 3-fazowy, a skoro w tych przewodach prąd biega w obydwu kierunkach – to jest to silnik 3-fazowy zasilany napięciem zmiennym..
Powyższy błąd ma – moim zdaniem – jeszcze jedną dość mocną podstawę by wciąż funkcjonować. Otóż – dla zdecydowanej większości silnik to jeden element, a regulator – drugi, całkiem osobny i niezależny.. Niestety, ale jest to kolejny błąd funkcjonujący na tyle długo, że nie ma najmniejszych szans na jego wyprostowanie, więc jedynie co można zrobić to wyprostować go tekstem w stylu “co poeta miał na myśli pisząc..”.. Jednak zanim podejmę się tej próby – zacznijmy od podstaw.
By od czegoś zacząć – proszę przypomnieć sobie budowę najprostszego silnika szczotkowego mającego (dla ułatwienia) tylko 3 cewki

.
Taki silniczek ma 3 ramiona, na każdym z nich jest nawinięta jedna cewka, oraz 2 lub 4 magnesy. Cewki mogą być połączone bądź w “gwiazdę” (końce wszystkich uzwojeń są połączone razem), bądź w “trójkąt” (koniec pierwszej cewki łączymy z początkiem drugiej, koniec drugiej z początkiem trzeciej, koniec trzeciej – z początkiem pierwszej). Jak by cewki nie były połączone – z ramion ZAWSZE wychodzą nam 3 przewody (początkowe cewek przy układzie w “gwiazdę”, bądź miejsca łączeń przy układzie w “trójkąt”). Bez względu do których DWÓCH przewodów przyłożymy napięcie – na cewkach powstanie pole magnetyczne, które będzie dążyło do albo przyciągnięcia się do któregoś magnesu, bądź odepchnięcia się od innego. Gdy pola magnetyczne cewek i magnesów znajdą się w równowadze nasz witrualny silniczek stanie, i trzeba wszystko powtarzać od nowa. Żeby ułatwić życie użytkownikom i silnikowi wymyślono komutator – jest to element mechanicznie zmieniający doprowadzanie napięcia do kolejnych cewek, co pozwala silnikowi na jego ciągłą pracę. Z racji że mamy tu dwa elementy – nieruchomy stator z magnesami i obracający się rotor z cewkami, więc jakoś musiano połączyć te dwa elementy – rozwiązano to za pomocą szczotek.
Oki – pora na kolejny krok, tym razem przenosimy naszą wiedzę o działaniu silnika szczotkowego na działanie silników bezszczotkowych..
Nasz wirtualny silnik szczotkowy ma 3 pojedyńcze cewki, i nasze silniki BLDC – również. Co prawda silniki BLDC mają po kilka bądź kilkanaście ramion (zębów), ale to tylko dlatego że dana cewka jest podzielona na kilka mniejszych (co zapewnia bardziej płynną pracę). Innymi słowy – dzieląc daną cewkę na 2 zęby otrzymamy 6 zębów (3 cewki po 2 ramiona), dzieląc cewkę na 3 otrzymamy finalnie 9 zębów, dzieląc cewkę na 4 otrzymamy.. - tak, 12 zębów

(
LINK pokazuje wersję na 6 ramion i 2 magnesy). Tak więc bez wzglądu ile ramion ma nasz stator – jest to ilość ZAWSZE podzielna przez 3. Sposoby nawijania drutu na poszczególne zęby to inny temat, i być może pokuszę się o napisanie drugiej części – sposoby przewijania silników, ale to temat na zaś..
Ktoś powie – no tak, ale silniki BLDC mają wirujące magnesy i nieruchome uzwojenia.. Fakt, ale po pierwsze – nasze lotnicze silniczki to tzw. outrunnery (a są również inrunnery – czyli wirujące wnątrzności silnika), a po drugie – moim celem jest wyjaśnienie i wyprostowanie kilku poglądów, i nie chcę teraz wnikać w szczegóły konstrukcyjne, a jedynie skupić się na zasadzie działania i sterowania.. (
LINK)
Mamy więc odniesienie cewek szczotkowego do bezszczotkowego, i to jest chyba zrozumiałe – pora więc na kolejny element, czyli - komutator.. O ile w silniku szczotkowym jest to integralna jego część, o tyle nie znajdziemy go w żadnej bezszczotce. W sumie znajdziemy, ale nie jako integralną część a jako kupowaną osobno – to tzw. regler.. Pod kątem pełnionych funkcji jest to przede wszystkim odpowiednik komutatora, do którego dołożono kilka innych niezbędnych elementów. Dlaczego elektroniczny? Klasyczny silnik szczotkowy do zmiany napięcia zasilającego poszczególne cewki używa komutatora oraz siły bezwładności wirującego rotora – to wystarcza by silnik działał. W bezszczotce nie mamy takich możliwości, więc to elektronika steruje prędkością zmian kierunkiem zasilania poszczególnych cewek. Realizuje to poprzez inne elementy, tzw. mosfety, które też muszą być dobrane pod kątem przewidywanych warunków pracy (głównie – prędkością działania i moc jaką muszą przez siebie przepuścić).
Kolejną funkcją jaka jest nam potrzebna to regulacja prędkości w zależności od położenia potencjometru w nadajniku. Samo przesyłanie drogą radiową jest realizowanie przez elektronikę nadajnika i odbiornika, a dla ułatwienia sygnał wyjściowy jest ustandartyzowany. Tłumaczenie owego standartowego sygnału na sygnały zmieniające prędkość zmian zasilania cewek można zrealizować jako osobny układ, ale dla ułatwienia życia modelarzom połączono obydwa układy (elektroniczny “komutator” i regulację prędkości) w jeden układ. Ale że żadna eketronika nie działa bez zasilania więc do “naszej” płytki dołożono jeszcze jedną funkcję – właśnie zasilanie. Jego działanie jest proste – z napięcia otrzymanego z akusi zrobić napięcie akceptowane i wymagane przez eletronikę regla, najczęściej jest to 5V. Ale że elektroniki w modelach jest dość dużo przeto owe 5V może zasilać nie tylko elektronikę regla, ale i kilka innych elementów – dlatego przetworniczki mogą mieć dość duże moce przerobowe, zaś same określane są mianem BEC (Battery Eliminator Circuit).
Moje wnioski:
- jeśli patrzymy na silnik szczotkowy jako całość – to silnik bezszczotkowy jest całością dopiero jako komplet składający się z części wykonawczej (potocznie nazywanej silnikiem), oraz części sterującej (potocznie nazywanej reglem),
- regler to głównie elektroniczna wersja komutatora, z kilkoma dodatkowymi funkcjami.
Niejako na podstawie powyższego można wyciągnąć kilka innych wniosków, które mają swoje odzwierciedlenie w życiu codziennym.
Otóż – w zasadzie wszystkie silniki (mechaniczne części wykonawcze zamieniające biegający po cewkach prąd w ruch obrotowy) oraz wszystkie regle (elektroniczne części sterujące prędkością i zmianami zasilania cewek) w teorii są ze sobą kompatybilne, ale że są one produkowane przez różnych producentów (a na dodatek nie ma jakichś ujednoliconych wytycznych), przeto czasem dochodzi do minimalnych różnic. Czym się to objawia?.. Ano – ludzie mówią że te regle chodzą płynniej, tamte – nie zrywają synchronizacji, a jeszcze inne – są dobre tylko do określonych silniczków. W sumie nie ma w tym nic dziwnego.. Jedne silniki mają dużą ilość ramion i magnesów, inne – małą średnicę ale dużą wysokość.. Jak by nie było – silniki mają znaczne różnice w budowie, i nie da się zaprojektować i wykonać regla w jednakowo doskonały sposób obsługującego je wszystkie. Ponadto – same regle mają różne oprogramowania dające im określone możliwości, jak również – elementy odpowiadające za zmianę sygnałów na zmianę polaryzacji bądź prędkości zasilania cewek (mosfety) mają różne parametry..
Wyobraźmy sobie – ile zmian zasilania cewek musi nastąpić, by dany silnik wykonał 1 obrót? Jeśli silnik ma 4 magnesy to tych “kroków” musi być 4, jeśli 16 magnesów – 16 kroków. Jako że okrąg ma zawsze tą samą ilość stopni – tak więc jeden “krok” obraca rotor o zawsze ten sam kąt (przy 4 magnesach – 90st, przy 16 magnesach – 22,5st.) Niby proste i logiczne, ale 22,5st to 4x mniej niż 90st, a tym samym inny czas samego ruchu. Zatem 1 obrót może wymagać 4 bądź 16 zmian (“kroków”), a że naszym przykładowym odniesieniem jest prędość obrotowa silnika – owe 16 zmian musi nastąpić tak samo szybko jak wcześniejsze 4 (by obydwa silniki miały takie same obroty na minutę). Dla samego oprogramowania regla to bez znaczenia, ale dla elementów wykonawczych (mosfetów) – już nie.. Jedna są szybsze, inne wolniejsze; jedne lepiej wytrzymują dużą szybkość zmian, inne – gorzej..
Jak widać – dla silnika o wiele istotniejszym parametrem dla prawidłowej współpracy z reglem nie są wymiary, ile właśnie podział na ilość ramion i magnesów (oczywiście – poza mocą jaką może nam dać dany regiel). Silnik o średnicy 28mm mający 3 ramiona i 4 magnesy będzie pracował dokładnie tak samo jak silnik mający 60mm średnicy z taką samą ilością ramion i magnesów – w obydwu jeden “krok” (zmiana zasilania cewek) wykonuje obrót o 90st. Oczywiście – dochodzą różnice w bezwładności statorów (ich masy są różne), jak również – prędkości kątowe, ale tym zajmuje się już oprogramowanie regla. Ponadto – właśnie z racji występujących prędkości – regiel nie jest w stanie wykonywać swojej pracy na bierząco, dlatego działa w nim mechanizm podobny do kąta wyprzedzenia zapłonu w silniku spalinowym w autku – komenda zmieniająca polaryzację zasilania cewek jest wysyłana na tyle wcześniej, by po przejściu przez całą drogę trafić do cewki w ściśle określonym momencie (tzw. timing)..
Ideałem byłby dostęp do jakiejś bazy regli i silniczków, i testowanie ich w każdej konfiguracji. Niestety – jak każdy ideał jest to sytuacja nierealna – mam więc jedynie nadzieję że moje wypociny choć troszkę rozjaśnią temat i zasadę działania..
Pozdrawiam