Bezszczotkowe i bezrdzeniowe – czym się różnią ?

Co pewien czas dostaję mail, w którym opisujecie model z silnikami bezszczotkowymi w wyjątkowo okazyjnej cenie i pytacie, czy warto. Za każdym razem okazuje się, że wpadliście w pułapkę językową. Hubsan, a obecnie również wiele innych quadrocopterów (i hexacopterów) chwali się silnikami bezrdzeniowymi. To jednak coś zupełnie innego niż bezszczotkowe. Jeśli chcecie wiedzieć więcej, zapraszam do lektury !

Zacznijmy od wyklarowania pierwszego określenia. Silnik bezrdzeniowy (coreless) jest rodzajem silnika SZCZOTKOWEGO (brushed motor). Stosowany jest on m.in. w Hubsanie H107C oraz MJX X600. Owy brak rdzenia oznacza różnicę w budowie wewnętrznej, ale nie zmienia sposobu działania komutatora. Ten ostatni, o którym zaraz opowiem, definiuje typ silnika. Komutator mechaniczny stosowany jest w silnikach szczotkowych, elektroniczny (bezstykowy) to domena sprzętu bezszczotkowego.

Silnik szczotkowy z ferrytowym rdzeniem (Brushed iron core motor)

ironcore
[Źródło: http://www.citizen-micro.com/tec/items/images/cm2.jpg]

Jest to podstawowe i najtańsze źródło napędu. W metalowym korpusie silnika (10) osadzone są magnesy (9), a na obu jego końcach znajdują się łożyska (11, 4), w których pracuje wirnik (5-8). Ten ostatni składa się z wału (5), który obraca się swobodnie w łożyskach (11,4). Jego podstawowa część, przez którą płynie prąd, to uzwojenie (7) nawinięte na, najczęściej żelazny, rdzeń (8), który pomaga ukierunkować pole magnetyczne. Od dołu silnik jest zamknięty plastikowym szczotkotrzymaczem (2), który z jednej strony ma wyprowadzenia, którymi dostarczamy zasilanie (1), a z drugiej kończy się szczotkami (3), które przylegają do komutatora (6). Ten ostatni to rodzaj bębna składającego się z sekcji wykonanych najczęściej z miedzi, która świetnie przewodzi prąd oraz polimerowych przekładek, które działają jak izolator. Szczotki ślizgając się po powierzchni komutatora pozwalają na przepływ prądu przez różne uzwojenia, co jest bezpośrednią przyczyną ruchu obrotowego wirnika. Skąd się to bierze ?

Uwaga, trochę fizyki ! Jeśli nie jesteś specjalnie ciekaw czytaj od razu o silniku bezrdzeniowym 😉

Źródło: Kanał „Learn Engineering” – „DC Motor, how it works ?”

Otóż prąd to nic innego, jak przepływ elektronów, czyli cząstek o ujemnym ładunku. Na cząstkę, która porusza się w polu magnetycznym działa tak zwana siła Lorentza, która jest prostopadła do kierunku poruszania tejże cząstki. Uff, tyle definicji. A jak to wygląda w silniku ?

Magnesy (9) umieszczone na korpusie (10) wytwarzają pole magnetyczne. Jego linie biegną m.in. w poprzek obudowy, od jednego bieguna do drugiego. Elektrony przemieszczają się po uzwojeniu (7) (przepływ prądu) m.in. wzdłuż wału wirnika (5). Ok, czyli mamy przemieszczającą się cząstkę i pole magnetyczne. Te dwa elementy wspólnie powodują, że na elektrony działa siła Lorentza, której zwrot jest prostopadły do wału wirnika i znajduje się poza jego osią. To wprawia całość w ruch obrotowy. Podczas niego rdzeń i uzwojenie, przez które płynął prąd, zmienia ustawienie w stosunku do magnesów, co powoduje także zmianę kierunku działania siły Lorentza. Przestaje ona obracać wirnik i cały wał. Żeby zapobiec zatrzymaniu pracy silnika, należy w pewnym momencie powstrzymać przepływ prądu przez dane uzwojenie na rzecz tego, które znajduje się teraz w punkcie, od którego zaczynało poprzednie. Stanie się to w momencie kiedy szczotki miną jedną z sekcji komutatora i po przejściu przez przekładkę trafią na kolejną, która jest połączona z następnym uzwojeniem. Komutator gwarantuje nam mechaniczne przełączanie przepływu prądu, a szczotki zapewniają różnicę potencjałów (napięcie) potrzebną do jego zaistnienia.

Im większe napięcie przyłożymy w (1), tym większy prąd (większa ilość ładunków) płynie przez komutator i uzwojenie, co zwiększa siłę, jaka działa na wirnik. To z kolei prowadzi do jego rozpędzenia. Po to właśnie potrzebny jest tranzystor przed końcówkami „+” i „-” na kontrolerze lotu quadrocoptera – steruje on ilością prądu dostarczanego do silnika, tym samym kontrolując jego obroty. Dodając gazu na aparaturze, informujemy kontroler lotu, że należy wysterować tranzystor wyższym napięciem, co otworzy drogę do wyższego przepływu prądu przez silnik zwiększając jego prędkość pracy i przyspieszając tym samym obroty śmigieł.

Silnik bezrdzeniowy (Brushed coreless motor)

coreless
[Źródło: http://www.citizen-micro.com/tec/items/images/cm1.jpg]

Ten typ silnika robi najwięcej zamętu, ale też zdobywa coraz większą popularność. Jak widać po zdjęciu, jego budowa jest trochę inna, ale wbrew pozorom zasada działania – identyczna. Rzecz w tym, że na wale wirnika znajduje się tylko cieniutki walec z nawiniętym uzwojeniem. Taka budowa zmniejsza masę samego wirnika, a tym samym także jego bezwładność.

Silnik bezrdzeniowy nadal więc jest silnikiem szczotkowym, ponieważ… posiada szczotki. Jak widzicie na obrazku, zarówno one (3), jak i komutator (4) są tam gdzie były. Magnesy (8) z kolei zostały przeniesione do wewnętrznej części korpusu silnika. Po ich zewnętrznej stronie kręci się nawinięte uzwojenie (5). Ponadto części pozostały bez zmian.

Silniki bezszczotkowe (Brushless motor)

m_20151128_143132

Silniki szczotkowe obecne w tak wielu quadrocopterach są obecnie bardzo tanie, co skutkuje także bardzo przyzwoitą ceną modeli. Niestety, jak to już bywa w życiu, co jest tanie nieczęsto jest też dobre. Szczotki w silnikach zużywają się dość szybko, ponieważ podczas pracy wciąż trą o komutator. Prowadzi to również do dodatkowej straty energii.

Rozwiązaniem jest wyeliminowanie komutatora mechanicznego na rzecz takiego, który mógłby być sterowany elektronicznie. Stało się to możliwe wraz z miniaturyzacją układów cyfrowych i ich coraz wyższymi częstotliwościami pracy. W silniku bezszczotkowym „komutator” został przeniesiony poza sam silnik, a cały układ nazywa się ESC (Electronic Speed Controller), co u nas jest nazywane Elektronicznym Regulatorem Obrotów. Modelarze mówią na nie regle, więc zapamiętajcie tę nazwę. O samych ESC będę pisał, gdy uruchomię dział DIY (Do It Yourself), w którym będę omawiał temat składania i uruchamiania własnego quadrocoptera. Póki co, wystarczy nam wiedzieć, że regulatory dostają sygnał od kontrolera lotu na podstawie którego ustalają konkretne tempo obrotów silnika bezszczotkowego.

m_20151201_122447
ESC – po lewej stronie przewody (czerwony, czarny) zasilające regulator i podające prąd na silnik, podłączone bezpośrednio do baterii. Potrójny przewód to wyjście 5V dla kontrolera lotu (czerwony i czarny), natomiast pomarańczowym przyjmowany jest sygnał sterujący. 3 niebieskie przewody po prawej podłączamy do silnika bezszczotkowego.

Zajrzymy teraz w głąb takiego silnika i przekonamy się, że jego budowa nie różni się wiele od tego, co poznaliśmy wcześniej. Najbardziej popularne rozwiązanie w kopterach to silnik outrunner, czyli taki, w którym ruchoma jest zewnętrzna jego część (korpus), a wnętrze jest przykręcone do ramy. Zauważcie, że jest to dokładnie odwrotna zasada działania, w porównaniu do silnika szczotkowego. Do nieruchomej części prowadzą 3 przewody, które następnie są połączone z uzwojeniami nawiniętymi na poszczególne rdzenie. Z kolei korpus ma przyklejone magnesy, jeden obok drugiego, na całym obwodzie.

m_20151201_002229


Źródło: Kanał „Learn Engineering” – „Brushless DC Motor, how it works ?”
Tutaj reguła działania jest nieco inna. Przepływ prądu przez uzwojenie powoduje powstanie pola magnetycznego. Próbujemy doprowadzić do sytuacji, w której jedno z uzwojeń ma przeciwny biegun i przyciąga magnes na korpusie, a drugie jednocześnie go odpycha. To wywoła ruch obrotowy. Gdy magnes znajdzie się nad kolejnym uzwojeniem, należy błyskawicznie przełączyć przepływ prądu, tak aby powtórzyć cały proces. Ciągłe odpychanie przez jedne uzwojenia, a przyciąganie przez drugie pozwoli utrzymać obracanie się silnika. W analogiczny sposób możemy też go przyhamować.

Jak łatwo zauważyć jest to efektywne, ale i droższe oraz trudniejsze w realizacji. Tutaj nie wystarczy samo przyłożenie napięcia i przepływ stałego prądu. Potrzebujemy inteligentnego układu, który „dogada” się z z silnikiem. Obecność ESC podbija z kolei cenę całości i wymaga sterowania przez kontroler lotu.

m_20151128_142728

Niewątpliwą zaletą silnika bezszczotkowego jest jego stosunek masy do mocy, która jest nieprzystająca w stosunku do wersji szczotkowej. Urządzenia, które widzicie na zdjęciach pobierają szczytowo prąd o natężeniu nawet 11A przy napięciu 11.1V (3S), co daje ponad 100W mocy. Na odpowiednio dużych śmigłach są w stanie wytworzyć ciąg sięgający 400g, co oznacza, że masa startowa modelu może wynosić do 800g (4 silniki x 400g ciągu / 2). Jak na takim napędzie latałaby Syma X5C – strach pomyśleć ! 🙂

Podsumowanie

Postarałem się przybliżyć Wam działanie poszczególnych typów silników i raz na zawsze zamknąć temat: „bezrdzeniowe” (coreless) kontra „bezszczotkowe” (brushless). Mam nadzieję, że wyjaśnienie było na tyle jasne, że żadne z Was już nie da się nabrać na promocję na „bezszczotkowy” quadrocopter !

Udanych lotów !

Coś więcej ?

Znalazłem link, który bardziej dogłębnie (a może i lepiej) wyjaśnia działanie poszczególnych typów silników. Mam nadzieję, że mój artykuł jest wolny od merytorycznych błędów, gdyż dokładałem wszelkich starań, aby tak właśnie było. Gdybyście coś znaleźli – dajcie znać w komentarzu – chętnie się poprawię.

http://forbot.pl/blog/artykuly/mechanika/silniki-elektryczne-szczotkowe-bezszczotkowe-krokowe-id2802

  • Luk

    Czyli taki silnik bezrdzeniowy np. z mjx x101 bedzie mial taka sama zywotnosc jak silnik z mjx x600? Oczywiscie moc x101 jest wieksza ale roznicy pod wzgledem wytrzymalosci nie ma zadnej? Dobrze rozumiem?
    Tutaj link do mjx x101: http://www.banggood.com/MJX-X101-2_4G-4CH-6Axis-720P-FPV-Set-Fit-Headless-Mode-One-Key-Return-RC-Quadcopter-RTF-p-1005923.html i tam jest zdjecie tego sliniczka 🙂

    • Patrząc po zdjęciach (banggood.com/MJX-X101-RC-Quadcopter-Spare-Parts-CW-CCW-Motor-p-1010274.html), to silnik od MJX x101 nie jest bezrdzeniowy – to najzwyklejszy, duży silnik szczotkowy taki jak w Tarantuli i Symie X8C. Te akurat żyją nieco krócej, niż ich małe odpowiedniki (np. MJX x600). Oczywiście to loteria, ale takie są generalne obserwacje w środowisku. Te duże silniki często się „dociera” (break-in), dając im pochodzić na niskich obrotach zaraz po zakupie, co podobno wydłuża ich żywotność.

      • Luk

        aha czyli spokojnie brac mjx x600. Troche sie zawahalem, bo te szcztokowe skoro przezywaja kilkadziesiat lotow (w tym nauka) a ja chcialem polatac z sj5000+ pomyslalem, ze taki x101 bedzie bardziej zywotny…
        Czy sa moze jakies bezszczotkowe poza jjrc x1 w cenach do 500-600zl, ktore poradza sobie z gopro i nie spala silnikow po kilkudziesieciu lotach?

  • XMAN

    Nie mówmy hop pamiętasz markietowy model jednego z naszych blogerow jego model latał fakt że na innych silnikach 18 min więc nie zdziwiłbym sie z tym wynikiem 15 min fakt aparatura wygląda okropnie pytanie czy dało by się sparowac inną chodź jej zasięg 300-400 m całkiem zacny, no nic tak jak napisałeś czekamy na opinie innych użytkowników. Ciekawe czy dało by się z niego zrobić racera po kilku przeróbkach ciekawe tylko co ma w środku.

    • Tak, pamiętam. Zbudowałem dwie 250-tki, które latają na ogniwach 1500 i 2200, ale 18 minut to nie wyciągnąłem, także po prostu patrzę na to z dozą niedowierzania. Jeśli chodzi o deklaracje czasu lotu i zasięgu to rzadko kiedy są one naprawdę spełnione, także mam uzasadnienie dla swojego sceptycyzmu, ale faktycznie przekonamy się w praktyce. Model wygląda na lekki, więc może nie potrzebuje aż tyle, co moje modele. I fakt, wygląda bardzo dobrze !

      • XMAN

        Ale niskim nakładem finansowym nie uda się nam zbudować 250 patrzyłem po polskim rynku jak i chińskim min 800 stówek trzeba jak nie lepiej więc ciężko jest zbudować niskobudrzetowego racera 250. Więc temu wpadłem na tak szalony pomysł z przeróbką 😀 chodź może z czasem fundne 250 jak mi nie przejdzie 🙂

        • Wszystko zależy od tego, jaki masz dalszy plan. Jeżeli chcesz kupić coś do polatania, co będzie w rozmiarze 250 (lub podobnym) i przy okazji szybkie (bezszczotka) to JJRC X1 faktycznie się sprawdzi. Generalnie jednak ci, którzy idą w kierunku modeli wyścigowych 250 robią to po to, żeby mieć FPV na 5.8 GHz i tak jak mówisz aparaturę o niezłym zasięgu.

          Przekonałem się na własnej skórze, że nie da się zaoszczędzić poniżej pewnego pułapu. Kupiłem najtańsze silniki do 250-tki i działały one dokładnie tak, ile kosztowały. Wbrew pozorom przerabianie będzie Cię prawdopodobnie kosztować więcej niż gotowy zestaw. Do JJRC X1 i tak musisz kupić kamerę, nadajnik FPV, jakoś to wszystko tam zamontować. Do tego potrzeba jeszcze wyświetlacza / gogli, odbiornika 5.8 GHz i aparatury.
          Owszem, na samą apkę wydasz powiedzmy ze 200 zł, ale potem możesz ją już używać ze wszystkim. Tutaj dostajesz gotowy sprzęt, który nie używa żadnego znanego protokolu.

          Z tego powodu uważam, że lepiej jest kupić model w częściach, ale taki który można potem rozbudować. Ja na początku złozyłem tylko coś, co latało. Do tego potrzebujesz silników, ESC, kontrolera lotu, ramy, odbiornika 2.4 i aparatury. Jeżeli nie pożałujesz na początku pieniędzy to potem możesz spokojnie dokupić kamerę i sprzęt FPV. Możesz też kupić najpierw Mobiusa i nagrywać lot, a potem podłączyć go do nadajnika 5.8 GHz, bo on też może działać w trybie Video out.

          Generalnie X1 polecałbym wciąż tym, którzy chcą się pobawić modelem bezszczotkowym, ale bez ambicji na latanie FPV, bo niewiele na nim nadbudujesz, a jak coś padnie, to zapłacisz za części dużo więcej, a też nie masz gwarancji, czy będą. Z kolei kontrolera lotu też nie podłączysz do komputera i nic nie zmienisz. Dostajesz co prawda oprogramowany i gotowy do lotu model, ale zakres modyfikacji jest dość wąski.

  • XMAN

    a ja się zastanawiałem jaki rodzaj silników siedzi w mjx x600 teraz już wiem 🙂
    dzięki za lekturę 🙂

    • Już jeden z czytelników pisał, że właśnie go kupuje, bo 120 zł za model z bezszczotkowym silnikiem to świetna oferta, ale zdążyłem go wyprowadzić z błędu 🙂 To jeden z powodów, dla których o tym napisałem. Dostałem też ostatnio zapytanie o ocenę modelu, który też miał silniki „Coreless”, a nie „brushless”. Teraz będzie wszystko wiadomo ! 🙂

      • maryush

        Witaj, ale ten: http://www.banggood.com/JJRC-X1-With-Brushless-Motor-2_4G-4CH-6-Axis-RC-Quadcopter-RTF-p-1011622.html chyba już jest ciekawszy? 😉 Nie wiem tylko czy to najtańszy, czy nie, ale zastanawia mnie podany czas lotu – aż nie chce mi się wierzyć, że za takie pieniądze do 15 minut…

        • Trudno powiedzieć, czy lata aż 15 minut. Znając życie czas jest zawyżony, ale pojemność 1300 mAh to jak na tak mały model trochę jest. Zależy pewnie od stylu latania, ale przy spokojnym locie pewnie z 10 min. da się wyciągnąć.

          Sam model zauważyłem dopiero dzisiaj po wejściu na główną stronę Banggood, bo to dość mocno lansowana nowość. Aparatura jest nieco tandetna, no i części zapasowe stoją pod znakiem zapytania. Rozbudować za wiele się nie da, ale możliwości są naprawdę niezłe ! Widziałem nagranie z jego lotu i widać, że silniki bezszczotkowe są bez porównania: https://www.youtube.com/watch?v=V3Z3461XALM
          Wygląda na mocnego zawodnika, ale poczekam jeszcze na trochę opinii na jego temat. Na razie materiałów jest niewiele.