Silniki elektryczne stanowią kluczowy element wielu mechanizmów, urządzeń i maszyn wykorzystywanych do różnych zastosowań przemysłowych i nie tylko, dlatego nie powinno dziwić, że przez lata były one poddawane ciągłym modyfikacjom, w efekcie których mamy dziś spory wybór różnych typów elektrycznych jednostek napędowych. Jednym z bardziej popularnych są obecnie silniki bezszczotkowe, określane również jako silniki BLDC (ang. BrushLess Direct-Current Motor), których cechą charakterystyczną jest konstrukcja bez szczotek, odpowiedzialnych w klasycznych silnikach prądu stałego za dostarczanie napięcia do uzwojeń silnika poprzez mechaniczny komutator. W silnikach BLDC, także zasilanych prądem stałym, zastosowano elektrycznie sterowany komutator (odpowiedzialny za włączanie i wyłączanie kolejno zasilania cewek), uzwojony stojan jest nieruchomy, zaś magnesy trwałe znajdują się na wirniku. Moment obrotowy w tego typu silniku jest następstwem oddziaływania pól magnetycznych, które są wytwarzane pomiędzy tymi elementami.

Silniki o takiej konstrukcji są stosunkowo nowym typem napędów. Po raz pierwszy silnik BLDC ujrzał światło dzienne w 1962 r. i bardzo szybko zyskał duże uznanie, które przełożyło się na rosnącą popularność w różnych branżach. Wprawdzie początkowo jego zastosowanie było ograniczone stosunkowo niewielką mocą, ale w latach 80. minionego stulecia (wraz z wprowadzeniem do konstrukcji magnesów trwałych) udało się rozwiązać ten problem.

Również w tej grupie można wyróżnić kilka różniących się rodzajów silników BLDC. Uzwojenia stojana mogą mieć układ trójkąta bądź gwiazdy. Położenia wirnika może być wewnętrzne bądź zewnętrzne – w tym pierwszym przypadku moment obrotowy jest wprawdzie niższy, ale również mniejsza jest bezwładność wirnika. Z kolei przy wariancie z zewnętrznym wirnikiem można uzyskać wyższe stałe prędkości, jednak również trzeba się liczyć z dużym momentem bezwładności.

Niezawodność na pierwszym miejscu

Inna konstrukcja silników BLDC sprawia, że nie dochodzi w nich do tarcia szczotek i prętów mechanicznego komutatora, co w przypadku klasycznych napędów prowadzi do stosunkowo szybkiego zużywania się tych elementów. W efekcie silniki bezszczotkowe charakteryzują się dłuższym czasem bezawaryjnej pracy (zużywającym się elementem są jedynie łożyska), mniejszą liczbą napraw i niezbędnych zabiegów konserwacyjnych.

Równie ważną cechą napędów BLDC są ich niewielkie wymiary i mały ciężar, dzięki czemu są one chętnie montowane w aplikacjach trudno dostępnych i z ograniczoną ilością miejsca. Charakteryzują się także wysoką sprawnością (wynikającą m.in. z braku spadków napięcia), dużo wyższą niż w innych silnikach prądu stałego, dochodzącą nawet do 95%. Kolejną zaletą jest możliwa praca z większą prędkością, a płaska charakterystyka momentu obrotowego sprawia, że prędkość działania może być dowolnie i precyzyjnie regulowana.

Brak szczotek w silnikach BLDC to także brak ewentualnego iskrzenia, które może być przyczyną powstawania zakłóceń elektromagnetycznych w pracy innych urządzeń elektrycznych znajdujących się w pobliżu. W porównaniu do silników szczotkowych silniki BLDC mają ponadto lepsze właściwości termiczne. W efekcie obudowa silników bezszczotkowych może być szczelniejsza, gdyż ciepło wytwarzane w cewkach może być odprowadzane bezpośrednie przez obudowę (stojan jest połączony z obudową), i nie ma potrzeby zapewniania odpowiedniej cyrkulacji powietrza poprzez pozostawianie szczelin w obudowach silników. Brak iskrzenia niesie ze sobą jeszcze jeden pozytywny skutek. Podczas pracy silników bezszczotkowych praktycznie nie ma ryzyka zaprószenia ognia. Tym samym ten rodzaj elektrycznego napędu może być stosowany w specyficznych warunkach, w tym w środowisku zagrożenia wybuchowego, a także we wszystkich procesach, w których wykorzystywany jest olej bądź inne łatwopalne produkty. Niemniej ważną cechą jest stosunkowo niski poziom hałasu generowany przez silniki BLDC, dzięki czemu mogą być one wykorzystywane w zamkniętych i niewielkich pomieszczeniach, w których przebywają ludzie, a także w bezpośrednim ich sąsiedztwie.

Za największą wadę silników bezszczotkowych uznaje się dość duży koszt ich nabycia, co wynika m.in. z konieczności stosowania specjalnych sterowników. Podczas pracy z dużym obciążeniem silnika mogą wystąpić spore wibracje, co może powodować brak stabilizacji prędkości obrotowej. Wadę tę można ograniczyć poprzez zwiększanie liczby uzwojeń stojana, co jednak przekłada się na bardziej skomplikowane sterowanie, a co za tym idzie wyższy koszt nabycia i użytkowania.

Nie tylko do przemysłu

Długa lista istotnych zalet sprawia, że po silniki bezszczotkowe sięgają obecnie odbiorcy z coraz większej liczby różnych branż. Choć początkowo można było je spotkać przede wszystkim w napędach urządzeń komputerowych oraz elektronicznych (np. dysku HDD czy napędów CD-ROM), to z biegiem czasu lista ta mocno się wydłużyła. Dłuższa żywotność spowodowała, że stały się one silnikiem pierwszego wyboru we wszelkich aplikacjach, gdzie wymagana jest niezawodna praca napędu. Doskonałym przykładem są np. układy chłodzenia, pompy wodne i paliwowe czy systemy akumulatorowe, których awaria mogłaby przyczynić się do kosztownych przestojów całej linii produkcyjnej.

Szeroki zakres regulacji prędkości i wysoki moment rozruchowy przy małym momencie bezwładności przyczyniają się do rosnącej popularności silników bez szczotek w zautomatyzowanych lub zrobotyzowanych procesach produkcyjnych, zapewniając wysoką wydajność produkcji (np. podajników taśmowych). Właściwości te sprawdzają się w szczególności w pracy robotów przemysłowych, wykorzystywanych zarówno do wykonywania prostych i powtarzalnych zadań, jak i do bardziej skomplikowanych działań.

Kolejnymi dziedzinami, w których zastosowanie znalazły silniki BLDC, są instalacje HVAC, czyli związane z procesami ogrzewania, wentylacji oraz klimatyzacji, a także produkty AGD, głównie ze względu na cichy tryb pracy. Również branża urządzeń medycznych jest tą, w której szczególne znaczenie ma cicha i bezawaryjna praca napędów. Dlatego też silniki bezszczotkowe są wykorzystywane m.in. w urządzeniach do rezonansu magnetycznego, fotelach stomatologicznych czy też łóżkach szpitalnych. W przyszłości jest duży potencjał rozwoju dla silników BLDC związany z różnego rodzaju egzoszkieletami, nie tylko w zastosowaniach medycznych (jako pomoc w rehabilitacji), ale również przy wykonywaniu różnych czynności związanych z przenoszeniem dużych ciężarów. 

Posiadane właściwości – mała masa i rozmiary napędu, duży stosunek momentu do prędkości obrotowej – sprawiają, że silniki bez szczotek świetnie nadają się też do napędów pojazdów elektrycznych, w tym np. skuterów, wózków widłowych czy wózków inwalidzkich. Dynamiczny rozwój branży elektrycznych samochodów również stanowi duży potencjał dla dalszego rozwoju silników BLDC.

Przewidywany szybki wzrost

Jak prognozuje Allied Market Research, wielkość globalnego rynku bezszczotkowych silników prądu stałego ma wzrosnąć z 34,2 mld dolarów w 2018 r. do 72 mld dolarów w 2026 r., co oznacza średnioroczny wzrost na poziomie 9,3%. Jak wyjaśniają autorzy raportu, czynnikami, które przyczynią się do zwiększenia udziału tego typu jednostek napędowych, są wysoki stosunek mocy do masy, większa wydajność, spora prędkość robocza, niskie koszty eksploatacyjne oraz możliwość sterowania elektronicznego. Również dalszy przewidywany dynamiczny wzrost rynku pojazdów elektrycznych będzie miał spory wpływ na popularność silników BLDC.

Według prognoz najszybszy wzrost będzie miał miejsce jednak w przypadku segmentu maszyn przemysłowych, który stanowił ok. 40% globalnego rynku silników BLDC w 2018 r. Silniki bezszczotkowe będą stanowiły kluczowe element napędów w takich aplikacjach, jak np.: maszyny do etykietowania i pakowania, obrabiarki CNC czy też maszyny montażowe.

Najważniejszymi graczami na globalnym rynku bezszczotkowych silników, według wspomnianego raportu, są Allied Motion Technologies, Ametek, Arc Systems, Bühler Motor, Faulhaber, Johnson Electric Holdings, Maxon Motors, MinebeaMitsumi, Nidec Corporation oraz Oriental Motor. Kluczowym rynkiem – z największym udziałem i najszybszym tempem wzrostu – będzie natomiast region Azji Południowo-Wschodniej.

Powyższe zalety sprawiają, że pozycja silników bezszczotkowych w branży przemysłowej będzie coraz mocniejsza. Można się też spodziewać nowych rozwiązań i technologii, w których silniki BLDC będą odgrywać główne skrzypce.