Dziś pokrótce skupie się na budowie bezszczotkowych silników prądu stałego BLDC w układach wspomagania kierowania współczesnych pojazdów. Zapraszam 🙂
Budowa silników BLDC
Zgodnie ze swoją nazwą silniki bezszczotkowe prądu stałego (BLDC – BrushLess Direct-Current Motor) do swojej pracy nie wykorzystują szczotek, a co za tym idzie brak w nich też komutatora – elementów znanych nam z konwencjonalnych silników prądu stałego. W odróżnieniu od tych drugich, cewki nie znajdują się na wirniku. Zamocowane są one na statorze, a wirnik zbudowany jest z magnesów trwałych. Wirnik wprowadzany jest w ruch w wyniku wzajemnego oddziaływania jego pola magnetycznego, z polem magnetycznym stojana, przy czym ciągły ruch obrotowy zapewniony jest dzięki tranzystorom, sterowanym sygnałem PWM za pośrednictwem elektronicznego sterownika. Informacje o prędkości obrotowej i położeniu wału silnika przekazywane są do sterownika za pośrednictwem czujników Halla.
Ze względu na umiejscowienie wirnika względem stojana, wyróżnić możemy silniki z wirnikiem wewnątrz stojana (Fot.1), charakteryzujące się wysokim momentem obrotowym i sprawnym odprowadzaniem ciepła oraz silniki z wirnikiem otaczającym stojan (Fot.2), stosowane zazwyczaj w urządzeniach o mniejszym poborze prądu.
Zalety i wady
Główną zaletą silników BLDC jest ich wysoka sprawność, a jednocześnie stosunkowo niewielkie rozmiary. Silniki te mogą pracować w sposób ciągły, przy zachowaniu maksymalnego momentu obrotowego – w odróżnieniu od silników szczotkowych, osiągających maksymalny moment obrotowy tylko przy obrotach nominalnych. Nawet małe silniki BLDC potrafią zapewnić stosunkowo dużą moc.
Kolejną istotną cechą jest ich sterowalność. Aby dokładnie i szybko ustawić prędkość i moment obrotowy na wale silnika, nawet w najwyższym zakresie momentu obrotowego, wykorzystuje się mechanizm sprzężenia zwrotnego. Precyzyjne możliwości sterowania zmniejszają zużycie energii oraz wytwarzanie ciepła, co szczególnie istotne jest w urządzeniach zasilanych bateryjnie. Załączony film prezentuje jak szybko możliwa jest zmiana kierunku pracy silnika BLDC, stosowanego w przekładni kierowniczej.
Omawiane silniki charakteryzują się także bardzo wysoką trwałością oraz niskim poziomem generowanego hałasu. Brak szczotek oraz komutatora powoduje iż jedynymi zużywającymi się elementami są w zasadzie tylko łożyska podtrzymujące wirnik. Brak też iskrzenia i szumów elektrycznych generowanych w miejscach gdzie szczotki przechodzą przez szczeliny komutatora.
Główną wadą silników BLDC jest ich wyższa cena, wynikająca z kosztów magnesów trwałych oraz skomplikowanych sterowników elektronicznych (Fot.3), których brak w prostych silnikach szczotkowych.
Silniki BLDC w układach kierowniczych
Silniki bezszczotkowe prądu stałego są coraz częściej spotykane w przemyśle, robotyce, urządzeniach AGD, ale także w szeroko pojętej motoryzacji. I nie mam tu na myśli wdzierających się przebojem na rynek pojazdów elektrycznych, gdzie silniki te służą do napędzania pojazdu. Już od kilkunastu lat, dzięki swoim zaletom, wykorzystywane są w układach wspomagania kierowaniem z powodzeniem zastępując wysłużone układy stricte hydrauliczne, a jednocześnie wzbogacając układy kierownicze o cechy i możliwości niespotykane w starszych rozwiązaniach, co przekłada się na bezpieczeństwo i komfort jazdy, ale także mniejsze zużycie energii a więc i paliwa.
Ze względu na budowę układów wspomagania kierownicy, w których wykorzystuje się silniki BLDC wyróżnić możemy dwa systemy:
– elektrohydrauliczne, łączące w sobie cechy wspomagania elektrycznego i hydraulicznego,
–elektryczne, wykorzystujące do swojej pracy wyłącznie siłę generowaną przez silnik bezszczotkowy.
Obok silników BLDC, możemy w układach wspomagania napotkać również klasyczne silniki szczotkowe. Są to jednak rozwiązania stosowane we wczesnych wersjach elektrycznych i elektrohydraulicznych układów wspomagania, obecnie nie implementowane w nowych pojazdach. Rozwiązania te zostały wyparte przez silniki bezszczotkowe z uwagi na ich wymienione wcześniej zalety.
Jeśli mówimy o układach elektro-hydraulicznych, silniki elektryczne prądu stałego znajdują zastosowanie w pompach hydraulicznych, tłoczących płyn do przekładni kierowniczej. Ciśnienie generowane przez pompę, z wykorzystaniem układu zaworów, wspomaga kierowcę w wykonaniu obrotowego ruchu kierownicą, dzięki czemu bez wysiłku możemy manewrować naszymi pojazdami, nawet na postoju. Bez takiego układu wspomagającego zmiana kąta skrętu kół jest dużo trudniejsza, a w cięższych pojazdach nawet niemożliwa.
Zaletą zastosowania układu elektro-hydraulicznego jest na pewno mniejsze zużycie energii w porównaniu z tradycyjnym układem hydraulicznym. Pompa może pracować na mniejszych obrotach, gdy wysokie ciśnienie oleju nie jest potrzebne, niż ma to miejsce w przypadku pomp napędzanych paskiem bezpośrednio w wału silnika spalinowego. Niemniej jednak silnik elektryczny pompy pracuje bez przerwy, nawet jeśli kierujący nie wykonuje żadnych ruchów kierownicą. Ujawniają się tutaj zalety silników BLDC. Pompa wyposażona w silnik szczotkowy, podlegać będzie zużyciu szczotek i komutatora i często po kilku latach pracy nadaje się do wymiany lub regeneracji. Fot.4. przedstawia zużyty komutator silnika szczotkowego stosowanego w pompie wspomagania samochodu Mini R50.
Jeśli zastosowana pompa dysponuje silnikiem BLDC, sterownik zmienia charakterystykę jej pracy w zależności od potrzeb i warunków pracy pojazdu. Wraz ze wzrostem prędkości samochodu, prędkość obrotowa pompy spada i jest ewentualnie podnoszona gdy elektronika zauważy gwałtowniejsze ruchy kierownicy. Potrzebne informacje o prędkości pojazdu, obrotach silnika spalinowego czy np. wykonywanych ruchach kołem kierownicy przekazywane są do kontrolera pompy zazwyczaj poprzez magistralę CAN. Zmianę charakterystyki pracy pod wpływem różnych informacji z sieci CAN zaobserwować możemy na załączonym filmie.
Typowa pompa wspomagania wyposażona w silnik BLDC zbudowana jest z bloków:
– hydraulicznego, zawierającego pompę hydrauliczną oraz zbiornik na olej wspomagania,
– elektrycznego, zawierającego silnik oraz elektroniczny sterownik, regulujący prędkość pracy silnika pompy i nadzorujący prawidłowości jej funkcjonowania. Kontroler bez przerwy sprawdza temperaturę pompy oraz czy rzeczywista prędkość wirnika równa jest wartości żądanej. W przypadku zarejestrowania nieprawidłowości pracy pompy lub zbyt niskiego napięcia zasilania, sterownik może podjąć decyzję o zatrzymaniu pracy całego podzespołu oraz wyświetleniu stosownego komunikatu na desce rozdzielczej pojazdu.
Oba te bloki połączone są zazwyczaj za pomocą sprzęgła.
Głównymi elementami zużywającymi się w pompie z silnikiem BLDC są obok samego bloku hydraulicznego wyłącznie łożyska wirnika silnika. Do częstych uszkodzeń dochodzi również w obrębie samego sterownika elektronicznego. W wyniku dość trudnych warunków pracy panujących pod maską pojazdu (głównie wilgoć, zmienna temperatura, opary z akumulatora), często dochodzi do uszkodzeń płytek PCB sterowników, co zazwyczaj skutkuje zatrzymaniem pracy pompy lub brakiem komunikacji z instalacją samochodu.
System elektro-hydrauliczny jest obecnie rzadko instalowany w nowych pojazdach. Bezsprzecznie królują dziś rozwiązania czysto elektryczne. Są to zazwyczaj elektryczne przekładnie kierownicze (Fot.5.) integrujące w sobie mechanikę przekładni potrzebną na przekazania ruchu obrotowego koła kierownicy na zwrotnice w celu skręcenia kół kierowanych wraz z silnikiem BLDC oraz elektronicznym sterownikiem nadzorującym jej pracę oraz komunikującym się z pozostałymi sterownikami pojazdu poprzez magistralę CAN lub jej szybszy odpowiednik, FlexRay.
Równie popularne są także elektryczne kolumny kierownicze (Fot.6.), zawierające silnik BLDC oraz stosowny sterownik elektroniczny. Zaletą takiego rozwiązania jest odseparowanie części elektronicznej od przekładni mechanicznej, która zazwyczaj zamontowana jest nisko w podwoziu pojazdu i pracuje w niekorzystnych warunkach środowiskowych. Cała elektronika i silnik BLDC zainstalowany jest wewnątrz kabiny pojazdu, tuż pod kołem kierownicy, gdzie warunki pracy są o wiele korzystniejsze.
Nieodzownym elementem obu rozwiązań jest czujnik momentu obrotowego przykładanego na koło kierownicy. Na podstawie jego wskazań sterownik podejmuje decyzję o uruchomieniu silnika BLDC i przekazaniu jego mocy na elementy układu kierowniczego.
W obydwu rozwiązaniach silnik BLDC nie pracuje w trybie ciągłym, jak ma to miejsce w pompach elektrohydraulicznych. Uruchamiany jest wyłącznie w razie potrzeby wykonania skrętu kół i to z mocą dopasowaną do warunków jazdy. Im większa prędkość pojazdu tym siła wspomagania jest mniejsza. Zdecydowanie zmniejsza to zużycie łożysk silnika, które uszkodzeniu ulegają w zasadzie tylko w przypadku zalania wnętrza przekładni wodą lub w wyniku uderzenia w momencie wypadku.
O ile w elektrycznej kolumnie kierowniczej mamy do czynienia z dość tradycyjnym silnikiem BLDC przekazującym swoją moc na układ kierowniczy za pośrednictwem typowej przekładni ślimakowej, o tyle w elektrycznych przekładniach kierowniczych spotykamy się często z silnikami, w których stojan jest zintegrowany z obudową samej przekładni (Fot.7.),
zaś wirnik silnika znajduje się bezpośrednio na listwie zębatej przekładni (Fot.8).
Ruch wirnika powoduje przesuwanie się listwy zębatej w prawo lub lewo, co skutkuje zmianą kąta skrętu kół. Elektryczna przekładnia kierownicza integruje w swoim wnętrzu zazwyczaj wszystkie elementy potrzebne do zapewnienia wspomagania kierowania. Niesie to niestety więcej problemów z serwisowaniem takich podzespołów ze względu na utrudnienia związane z demontażem i dostępem do poszczególnych modułów. Największym zagrożeniem dla elektrycznych przekładni kierowniczych jest woda, która po wniknięciu do jej wnętrza dokonuje zniszczeń zarówno w warstwie elektronicznej jak i części mechanicznej a co za tym idzie samym silniku BLDC. Usterki takie są trudne do usunięcia a nierzadko w ogóle niemożliwe.
Może się wydawać iż zastosowanie silników BLDC w układach wspomagania skomplikowało budowę dzisiejszych samochodów i utrudniło ich serwisowanie. Rozwiązania takie jednak otworzyły zupełnie nowe możliwości w zakresie kierowania pojazdami. Poczynając od zoptymalizowania zużycia energii przez układy wspomagania (tak ważne w dobie wprowadzania pojazdów napędzanych elektrycznie) poprzez poprawę komfortu i bezpieczeństwa prowadzenia samochodu, kończąc na futurystycznie brzmiących doniedawna doniesieniach o pojazdach autonomicznych – wspomagających nas w procesie parkowania i zupełnie samodzielnie jeżdżących po naszych drogach. Sterowalność silników BLDC pozwala nam zmieniać charakterystykę pracy wspomagania pojazdu wraz ze zmianą warunków jazdy, lub w zależności od upodobań kierowcy – za pomocą przycisku na desce rozdzielczej użytkownik może zmienić charakter prowadzenia swojego pojazdu z leniwej i komfortowej limuzyny na agresywny, sportowy i bardziej precyzyjny.
Oczywiście zastosowanie silników BLDC w dzisiejszych pojazdach nie ogranicza się wyłącznie do układów kierowniczych. Najbardziej spektakularnie zostały wykorzystane jako jednostki napędowe nowoczesnych pojazdów elektrycznych. Ale to już materiał na zupełnie inny artykuł.
