do początku mapa serwisu kontakt  
Problemy techniczne » Silniki elektryczne

 

Rodzaje silników stosowanych do napędu łodzi.

 

1. Komutatorowy silnik elektryczny prądu stałego.

 

Pierwszy silnik komutatorowy zbudował w 1834 r. fizyk i elektrotechnik niemiecki Moritz Herman Jacobi i zastosował go w łódce. Udoskonalona przez jego samego przez 4 lata wersja mogła przewieźć przez rzekę 14 osób na drugą stronę rzeki.

Chociaż od tego czasu minęło prawie 200 lat silnik ten jest nadal najczęściej stosowany do napędu łodzi, a jego konstrukcja niewiele się różni od tych silników z dziewiętnastego wieku. Jedyną naprawdę nowością jest zastosowanie w silnikach małej mocy magnesów trwałach zamiast cewek w stojanach.

Podstawowe elementy takiego silnika to wirnik z uzwojeniami i komutatorem, stojan z cewkami lub magnesaami trwałymi oraz szczotkotrzymacz ze szczotkami. Budowę typowego komutatorowego silnika prądu stałego oraz podstawowe elementy taniego zaburtowego silnika przedstawiają poniższe zdjęcia.

Główną wadą tego silnika jest niska trwałość i awaryjność spowodowana poprzez zastosowanie nietrwałych i zawodnych szczotek.

Zablokowanie szczotki w szczotkotrzymaczu powoduje jej szybkie nagrzewanie się na skutek słabego kontaktu z komutatorem, a następnie całkowite zniszczenie szczotkotrzymacza i nadpalenie powierzchni komutatora. Jest to najczęstsze poważne uszkodzenie silnika. Uszkodzony w ten sposób szczotkotrzymacz pokazuje poniższe zdjęcie.

 

2.  Silnik bezszczotkowy (silnik BLDC - BrushLess Direct Current motor)

 

Jest to rodzaj silnika elektrycznego zasilanego prądem stałym, w którym zamiast szczotek zastosowano elektronicznie sterowany komutator, cewki są nieruchome, a magnesy znajdują się na wirniku. W układzie kontroli położenia wirnika najczęściej stosowane są czujniki Halla (hallotrony) umieszczone w uzwojeniach stojana. Podstawowe elementy takiego silnika przedstawiają poniższe rysunki i zdjęcia.

Główną zaletą silników bezszczotkowych jest dużo wyższa trwałość i niezawodność wynikająca z wyeliminowania z konstrukcji szczotek, będących najczęstszą przyczyną awarii oraz najszybciej zużywającym się elementem mechanicznym silnika. Dzięki temu jedynym zużywającym się elementem silnika są jego łożyska, których trwałość jest bardzo wysoka. Eliminacja szczotek zapewnia cichszą pracę silnika oraz wyższą sprawność energetyczną.

W wirnikach tych silników prawie nie ma strat, gdyż wykonane są one na ogół z wysokorezystancyjnych magnesów spiekanych. Większość strat występuje w stojanie, który łatwo schłodzić. Zatem uzwojenia stojana mogą być obciążone większą gęstością prądu, co wpływa na minimalizację wymiarów i ciężaru silnika.

Kolejną zaletą silników BLDC jest możliwość kontroli prędkości obrotowej prawie niezależnie od momentu silnika.

Główną wadą silników bezszczotkowych jest wyższy koszt produkcji. Wynika on z konieczności zastosowania specjalnych sterowników elektronicznych i drogich magnesów trwałych.

Silniki bezszczotkowe stosowane są w drogich silnika zaburtowych.

 

3. Regulacja prędkości obrotowej silników komutatorowych.

 

a) Regulacja rezystorami.

 

Jest to najstarszy, stosowany już w dziewiętnastym wieku sposób regulacji obrotów silnika.

W silnikach z uzwojeniami w stojanie włącza się szeregowo z nimi rezystory o różnych wartościach powodujące obniżenie napięcia zasilającego cewki, a w rezultacie obniżenie obrotów silnika. Ponieważ prąd pobierany przez te cewki jest znacznie niższy niż prąd wirnika to straty na regulacji nie są duże.

Ten sposób regulacji obrotów jest nadal stosowany w niedrogich silnikach zaburtowych. Ponieważ nie ma tam uzwojeń w stojanie rezystory są włączane szeregowo z uzwojeniami wirnika. Najczęściej są to dwa rezystory (nazywane też cewkami) o różnej rezystancji umieszczone w tylnej części obudowy silnika. Przełącznik umieszczony w głowicy silnika włącza te rezystory w obwód wirnika w układzie zależnym od załączonego biegu, dzięki czemu obroty, a także prąd pobierany przez silnik jest tym niższy im niższy bieg włączymy. Przełącznik jest pokazany na poniższym zdjęciu, sposoby włączanie rezystorów na poszczególnich biegach na poniższym rysunku, a prąd pobierany przez przykładowe silniki na poszczególnych biegach pokazuje załączona tabelka.

Uszkodzenie wyłącznika na skutek przepływającego dużego prądu oraz zbyt małych złączy konektorowych jest bardzo częstą przyczyną awarii silnika. Przepalenie któregoś rezystora powoduje brak niektórych biegów.
Regulacja ta powoduje duże straty prądu, szczególnie na niskich biegach.

 

b) Regulacja PWM - modulacja szerokości impulsu (pulse width modulation).

 

Regulacja PWM polega na zmianie szerokości impulsu sygnału. Przy tej metodzie częstotliwość sygnału jak i amplituda sygnału są stałe. Najważniejszym parametrem sygnału PWM jest współczynnik wypełnienia, który określa stosunek czasu trwania sygnału do czasu trwania całego cyklu. Częstotliwość zmian sygnału wynosi od kilkuset Hz (zmian na sukundę) do kilkudziesięciu kHz (tysięcy zmian na sekundę). Wirnik silnika o dużej bezwładności mechanicznej i magnetycznej reaguje na zmieniający się sygnał PWM tak jak na zmiany napięcia. Np. dla zasilania 12 V i wypełnienia 100% - 12 V, dla wypełnienia 50% - 6 V, a dla 25% - 3V.

Jest to regulacja praktycznie pozbawiona strat, płynna w pełnym zakresie. Bardzo łatwo można wprowadzić w układzie regulacji szereg zabezpieczeń np. ograniczenie maksymalnego prądu - zabezpiecza lepiej niż bezpiecznik silnik i regulator przed uszkodzeniem przy zaplątaniu się śruby w wodorosty czy żyłkę, zabezpieczenie uniemożliwiające pracę przy zbyt głębokim rozładowaniu akumulatora itp. Regulatory PWM przy obecnym rozwoju elektroniki są proste i tanie. Koszt przy masowej produkcji nie powinien przekroczyć kilku dolarów i moim zdaniem jest niższy niż tradycyjnego regulatora z rezystorami i przełącznikiem. Np. cena detaliczna najdroższego elementu regulatora PWM - tranzystora MOSFET nie przekracza 1,50 zł. Jednakże producenci silników z uporem godnym lepszej sprawy "uszczęśliwiają" nas ciagle silnikami z regulatorami rezystorowymi, a silniki z regulatorami PWM nazywanymi "maximizerami" są conamniej o kilkaset złotych droższe, chociaż ich wyprodukowanie powinno być tańsze. W reklamowych opisach silników z "maximizerami" możemy przeczytać, że takim silnikiem przepłyniemy kilkukrotnie dłuższy dystans (czasami nawet 5 lub 6 razy) . Twierdzenie to jest prawdziwe jeśli będziemy płynąć bardzo wolno, na najniższym biegu gdyż wtedy straty w tradycyjny regulatorze z przełącznikiem są naprawdę duże. Natomiast na najwyższym biegu silnikiem z "maximizerem" popłyniemy troszeczkę krócej gdyż "maximizer" powoduje jednak niewielkie straty, a w silniku bez "maximizera" przełącznik wtedy łączy silnik bezpośrednio z akumulatorem.

Na rysunkach poniżej zamieściłem przykładowe schematy regulatorów PWM - najprostszy bez żadnych zabezpieczeń oraz drugi, bardziej skomplikowany z układem ARDUINO Pro Mini z mikrokontrolerem. Układ ma zabezpieczenia przed nadmiernym rozładowaniem akumulatora i ograniczenie maksymalnego prądu pobieranego przez silnik. Gotowe takie regulatory można kupić na Allegro i w sklepach internetowych w cenach poniżej 100 zł.