1. Wstęp

Napęd drzwi windy pracuje ciągle w stanie nieustalonym, gdyż przy każdym otwieraniu i zamykaniu drzwi dokonywany jest rozruch silnika. Z tego powodu silnik przeznaczony do takiej pracy powinien być dobrany niezwykle starannie. Dotychczas w napędach drzwi wind stosowane były silniki asynchroniczne z różnego rodzajami przekładniami i silniki komutatorowe prądu stałego wyposażane zazwyczaj w przekładnie planetarne. Nowością było zastosowanie wolnoobrotowego silnika BLDC przedstawionego w publikacji [1]. Silnik ten sprawdzał się doskonale w warunkach eksploatacyjnych, ale był trudny technologicznie i przez to drogi. Jego podstawową wadą był skos żłobków stojana eliminujący w znacznym stopniu moment zaczepowy, ale poważnie utrudniający wykonanie uzwojenia silnika. Drugą wadą było wyposażenie silnika w trzy transoptory lub trzy czujniki Halla informujące punktowo o położeniu wirnika względem stojana. Wada ta uniemożliwiała zastosowanie bardziej zaawansowanego sterowania wektorowego [5, 7, 8] – możliwe było tylko proste sterowanie BLDC, przy którym, jak wiadomo występują dość znaczne tętnienia momentu. Z tych powodów zdecydowano się na opracowanie nowego, prostszego technologicznie silnika i wyposażenie go w bardziej dokładny czujnik położenia wirnika.

2. Założenia konstrukcyjne nowego silnika

Przy projektowaniu silnika kierowano się głównie czasem zamykania i otwierania napędu, wynoszącym około 1 s i wymaganym momentem mechanicznym około 2 N·m. Założono prędkość obrotową na poziomie 600 obr./min., moc na dotychczasowym poziomie 150 W i napięcie zasilania 24 VDC. Specyficzny rodzaj pracy tego napędu skłania do założenia wysokiej gęstości prądu w uzwojeniu silnika i skupieniu się na pewności działania, a mniejsza sprawność silnika, ze względu na wysoką gęstość prądu, może być pomijana – silnik pracuje bardzo krótko i w związku z tym zużywa mało energii. Podstawowymi wymaganiami są pewność działania, bezobsługowość i niska cena silnika.

3. Konstrukcja silnika

Punktem wyjścia do obliczeń silnika [2] były: moc, prędkość obrotowa oraz napięcie zasilania silnika. Przyjęto wzbudzenie silnika magnesami neodymowymi typu N38 o kształcie prostopadłościennym, gdyż magnesy takie są ponad dwukrotnie tańsze od magnesów o kształcie wycinka pierścienia naklejanych na wirnik w większości silników BLDC. Sprawdzony przez autora, w innych konstrukcjach [4], układ liczby żłobków stojana i liczby magnesów wirnika zapewnia minimalny moment zaczepowy przy prostych zębach stojana – 9 żłobków stojana i 8 magnesów na wirniku. Wprowadzenie prostych zębów stojana ułatwia wykonanie uzwojenia silnika. W takim przypadku cewki uzwojenia mogą być wykonane na oddzielnych karkasach i następnie wsuwa się je na proste zęby stojana. Aby wyeliminować nasycenia obwodu magnetycznego i zminimalizować jego masę przeprowadzono obliczenia obwodu magnetycznego metodą elementów skończonych z wykorzystaniem programu FEMM 4.2. Na rysunku 1 pokazano uzwojony stojan silnika, a na rys. 2 schemat specyficznego uzwojenia.

Jak widać, na rys. 2 cewki każdej fazy wykonane są na karkasach i umieszczone są w sąsiednich żłobkach stojana i dzięki temu połączenia czołowe mają minimalną długość. W wirniku silnika jest 8 zagłębionych, prostopadłościennych magnesów. Założono zastosowanie tanich, prostopadłościennych magnesów neodymowych o symbolu N38 o wysokości 5 mm. Takie rozwiązanie konstrukcyjne sprzyja szybkiemu i pewnemu montażowi wirnika – magnesy wsuwa się w gniazda wirnika i mamy pewność, że magnesy nie odkleją się jak może się to zdarzyć przy magnesach przyklejanych do zewnętrznej powierzchni wirnika. Średnica zewnętrzna blach stojana wynosi 130 mm, a szczelina powietrzna ma szerokość 1,0 mm. Na rys. 3 pokazano wirnik silnika z włożonymi magnesami.

Obliczenia wykazały niską wartość indukcji w szczelinie związaną z umieszczeniem magnesów wewnątrz wirnika. Przy takiej konstrukcji wirnika wartość indukcji w szczelinie można zwiększyć przez zwiększenie wysokości magnesów lub przez zmniejszenie wymiaru blach z bocznych ścian magnesu (w miejscach nasycania się blach). Ze względów technologicznych i ze względu na wytrzymałość mechaniczną zdecydowano się zachować ten wymiar na poziomie 0,8 mm.

Do poprawnej pracy silnika niezbędna jest znajomość aktualnego położenia wirnika względem stojana. Istnieją wprawdzie bezczujnikowe metody sterowania [3, 4, 6] ale dotychczas ograniczają się one najczęściej do przypadków pomp i wentylatorów, to jest napędów, w których występuje mały moment oporowy przy starcie napędu. W omawianym przypadku moment oporowy przy starcie jest większy od momentu w trakcie pracy i dlatego niezbędne jest sprzętowe określenie pozycji wirnika. Najtańszym obecnie rozwiązaniem jest zastosowanie enkodera magnetycznego i zastosowano tu programowalny enkoder AS5047, który standardowo ma dwa wyjścia (dwa kanały A, B), ale można zaprogramować go tak, aby dawał sygnały podobne do sygnałów z czujników Halla. Rys. 4 pokazuje układ kontroli położenia – płytkę z enkoderem a rys. 5 wykonany silnik, który jest już produkowany seryjnie.

4. Badania silnika

Badania laboratoryjne silnika potwierdziły założone parametry i silnik zamontowano w typowym napędzie drzwi windy. Ponad roczna eksploatacja napędu w rzeczywistych warunkach wykazała jego pełną przydatność i silnik wszedł do produkcji seryjnej.

5. Wnioski

Opracowany silnik jest dobrym przykładem współpracy uczelni z przemysłem. Konstrukcja tego silnika była udoskonalana – jak wspomniano we wstępie pierwsza wersja silnika była skomplikowana technologicznie i przez to kosztowna. Obecnie konstrukcja jest prosta i może być wykonywana przez mało wykwalifikowanych pracowników. Opracowanie maszyny elektrycznej, która ma wejść do seryjnej produkcji jest zawsze kompromisem między doskonałą konstrukcją, a względami technologicznymi i ekonomicznymi. Wkrótce powstanie trzecia wersja silnika przeznaczona do ciężkich drzwi windy – wersja z wirnikiem o 15 parach biegunów, o znacznie większym momencie i mniejszej prędkości obrotowej wyposażona w szybki 23-bitowy enkoder.

Literatura

[1] Goryca Z., Kolano K.: Bezprzekładniowy napęd drzwi windy, XX Konferencja Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych, Rytro 25–27 maj, 2011, Zeszyty Problemowe, Maszyny Elektryczne, zeszyt nr 90.
[2] Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Warszawa: Wydawnictwo WNT, 2018.
[3] Chen L.H.,Wei W.: A Position Sensorless Control Strategy for Brushless DC Motor Based on the Back-Electromotive Force Function, Transactions of China Electrotechnical Society, vol. 34, no. 22, 2019.
[4] Goryca Z., Ziółek M.: Metody bezczujnikowego sterowania silników BLDC, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 89, no. 2b, pp. 128–132, 2013.
[5] Deepak M., Ranjeev A., Rajesh V.: A Review of BLDC Motor: State of Art, Advanced Control Techniques, and Applications,  https://www.researchgate.net/publication/360585129, 2.01.2026.
[6] Nabil H.: Position Estimation and Control of BLDC motor based on Hall effect sensor and angular magnetic encoder IC, International Journal of Engineering and Applied Sciences (IJEAS) ISSN: 2394-3661, Volume-5, Issue-1, January 2018, p. 48 – 53.
[7] Kolano K., Drzymała B., Geca J.: Sinusoidal Control of a Brushless DC Motor with Misalignment of Hall Sensors, Energies 2021, 14, 3845.
[8] Kolano K.: Improved Sensor Control Method for BLDC Motors, IEEE Access, Tom 7, s. 186158-186166.

dr hab. inż. Zbigniew Goryca
e-mail: zgoryca@tu.kielce.pl, tel.: 601 250 530
Politechnika Świętokrzyska (emeryt)