Materiały pomocnicze do ćwiczenia nr 3 
 

Silniki bezszczotkowe z komutacją elektroniczną 

Silniki  bezszczotkowe  z  komutacją  elektroniczną  możemy  podzielić  na  dwie  kategorie.  Pierwsza  z  nich  są  to 
silniki które zawierają magnesy trwałe. Drugą kategoria to silniki bez magnesów trwałych. Zalicza się do nich 
silnik  reluktancyjny  przełączalny  (switched  reluctance  motor).  Silniki  bezszczotkowe  z  magnesami  trwałymi 
mogą  być  zasilane  napięciem  trapezoidalnym  (BLDCM  –  brushless  direct  current  motor)  lub  sinosoidalnym 
(PMSM  –  permanent  magnet  synchronous  motor).  W  tym  materiale  zostaną  omówione  tylko  silniki 
bezszczotkowe z magnesami trwałymi wzbudzane napięciem trapezoidalnym. 
Bezszczotkowe silniki DC są znane od bardzo dawna, jednak ich powszechne zastosowanie umożliwiły dopiero 
tanie scalone sterowniki impulsowe. Budowa silnika z wirującym magnesem jest "odwróceniem" budowy silnika 
komutatorowego z magnesem trwałym: uzwojenia znajdują się w stojanie a wirnik wykonany jest z odpowiednio 
ukształtowanego magnesu. Ze względu na liczbę uzwojeń, wyróżniamy silniki bezszczotkowe 2-pasmowe i†3-
pasmowe, natomiast w zależności od sposobu zasilania uzwojeń - silniki unipolarne i bipolarne. 
Właściwości i zastosowanie 

Parametry  mechaniczne  silnika  BLDC  są  porównywalne  z  silnikiem  komutatorowym  prądu  stałego 

wzbudzanego  magnesami  trwałymi  –  podobna  moc  i  moment  obrotowy  przy  zbliżonych  wymiarach  i  masie. 
Istotnymi  ich  zaletami  są:  wysoka  trwałość  limitowana  praktycznie  trwałością  łożysk,  możliwość  bardzo 
precyzyjnej  regulacji  prędkości  obrotowej  którą  umożliwiają  zaawansowane    układy    sterowników  poprzez 
sterowanie kątem obrotu wirnika. 

Cena  silnika  bezszczotkowego  jest  jednak  znacznie  wyższa  od  podobnego  silnika  komutatorowego. 

Kompensuje ją jednak znacznie wydłużona trwałość silnika. Możliwość precyzyjnego sterowania powoduje, że 
w  wielu  aplikacjach  są  one  znaczną  konkurencją  dla  silnika  skokowego.  Szczególnie  dotyczy  to  napędów 
pracujących przy wyższych prędkościach obrotowych. Dodatkowo są od nich mniejsze i lżejsze. 

Obecnie  silniki  BLDC  są  stosowane  powszechnie  w  serwonapędach  maszyn  oraz  w  sprzęcie  powszechnego  

użytku (np. napędy CD/DVD). Wyparły one praktyczne całkowicie silniki skokowe z napędu dysków twardych. 

Bardzo  często  sterownik  silnika  jest  zintegrowany  z  silnikiem  stanowiąc  jego  integralną  część.  W 

najprostszych  rozwiązaniach  na  zewnątrz  wyprowadzone  są  tylko  2  zaciski  zasilania,  co  umożliwia  regulacje 
kierunku  i  prędkości  obrotowej  (niektóre  wbudowane  sterowniki  zmieniają  kierunek  obrotów  przy  zmianie 
biegunowości zasilania). W bardziej rozbudowanych są wejścia sterujące (analogowe lub cyfrowe) do regulacji 
obrotów.  Najwyższej  klasy  sterowniki  mają  wejścia  komunikacji  szeregowej,  umożliwiające  konfigurowanie 
sterownika  za  pomocą  mikroprocesora,  komputera  PC  lub  współpracę  ze  sterownikami  PLC,  czujnikami 
położenia  i  mają  wbudowane  algorytmy  rozpędzania/hamowania  i  wiele  innych  aplikacji.  Sterowniki  wyższej 
klasy zazwyczaj stanowią odrębny moduł który jest dołączany do silnika. 
Silnik 2-pasmowy 

Zasada  działania  i  uproszczony  schemat  silnika  2-pasmowego  przedstawiono  na  rysunku  1.1.  Elementy 

oznaczone  jako  H1  i  H2  to  czujniki  Halla  (scalone  czujniki  pola  magnetycznego).  Typowy  czujnik  Halla 
stosowany w silnikach jest elementem 3-końcówkowym („+”, „-„ i wyjście) w obudowie zbliżonej do obudowy 
tranzystora  małej  mocy.  Pod  wpływem  pola  magnetycznego  o  określonej  biegunowości,  wyjście  czujnika 
zmienia swój stan w momencie przekroczenia progowej wartości pola magnetycznego. Produkowane są również 
czujniki bipolarne które wychwytują nie tylko zmianę wartości pola, ale również jego biegunowość. 

 

Rys.1.1 Zasada działania i uproszczony schemat silnika 2-pasmowego 

W układzie o schemacie pokazanym na rysunku 1.1 czujniki Halla powodują przepływ prądu przez uzwojenie A 
lub B w zależności od położenia kątowego wirnika. Pole magnetyczne cewek oddziałuje z magnesem, czego 
wynikiem jest obrót wirnika. Analizując działanie układu łatwo zauważyć, że moment obrotowy jest 
maksymalny w momencie poziomego ustawienia osi magnetycznej wirnika, natomiast po obróceniu wirnika o 
90



  moment wynosi zero. Konsekwencją tego faktu jest niemożność uruchomienia silnika przy niektórych 

położeniach wirnika. Można sobie poradzić z tym problemem poprzez podział uzwojeń na pasma ułożone 
naprzemiennie, zwiększając liczbę biegunów magnetycznych wirnika. Przykład silnika o takiej budowie 
pokazano na rysunku 1.2. Każde uzwojenie jest podzielone na cztery części, a wirnik posiada 4 bieguny. 

Symbole „+” i „-„ oznaczają kierunki uzwojeń, sekcje A1+, A2+, A1-, A2- są połączone szeregowo 
(analogiczne skonfigurowane jest uzwojenie B). W tak skonstruowanym silniku zmiany momentu obrotowego w 
funkcji kąta obrotu wirnika są mniejsze, ale nadal dokuczliwe. 

 

Rys.1.2. Zmodyfikowana konstrukcja silnika 2-pasmowego 

Nieco  zmodyfikowany  układ  z  rysunku  1.1  jest  powszechnie  stosowany  w  miniaturowych  wentylatorach, 

używanych m.in. do chłodzenia urządzeń elektronicznych. Ze względu na brak generatora ustalającego prędkość 
obrotową,  można  zmieniać  obroty  takich  wentylatorów  poprzez  zmianę  napięcia  zasilającego  (w  zakresie 
50...120% prędkości znamionowej). Niestety przy takim sterowaniu moment obrotowy maleje przy zmniejszaniu 
obrotów.  Poniżej  pewnego  napięcia  granicznego  wentylator  może  przestać  pracować  z  powodu  zadziałania 
układów  zabezpieczających  przed  przeciążeniem.  Na  rysunku  1.3  pokazano  stojan  silnika  przeznaczonego  do 
napędu  wentylatora.    Aby  wyeliminować  problem  z  rozruchem  zastosowano  w  tym  przypadku  celową 
deformację nadbiegunników  stojana. 

 

Rys.1.3. Budowa stojana silnika przeznaczonego do napędu maleńkiego wentylatora 

Wykorzystanie miedzi w silnikach u z rysunku 1.3 nie jest najlepsze (sterowanie unipolarne) ponieważ prąd 

płynie  naprzemian  przez  uzwojenie  A  lub  B.  Znacznie  bardziej  efektywne  jest  zasilanie  bipolarne  silnika 
pokazane  na  rys.1.4.  Zastosowanie    czterech  tranzystorów  układu  mostkowego  typu  H  umożliwia  zmianę 
kierunku  prądu  przepływającego  poprzez  uzwojenia  i  zasilanie  obu  uzwojeń  jednocześnie,  dzięki  czemu  siła 
działająca  na  wirnik  je  2-krotnie  większa.  Na  schemacie  z  rysunku  1.4  cewki  są  połączone  szeregowo.  W 
praktycznych układach sterowników czasami stosuje się dwa oddzielne mostki zasilające po jednym dla każdego 
pasma.  Sterowanie  bipolarne  2-pasmowego  silnika  powoduje  wzrost  momentu  obrotowego,  lecz  nadal  nie 
rozwiązuje problemu zależności momentu od kąt obrotu wirnika. Dlatego znacznie lepsze pod tym względem są 
konstrukcje 3-pasmowe. 

 

Rys.1.4. Układ do sterowania bipolarnego silnika 2-pasmowego 

Silnik trójpasmowy 

Silniki trójpasmowe maja trzy uzwojenia: A, B i C. Mogą być sterowane niezależnie w układzie unipolarnym 

(praktycznie nie spotykane), ale zazwyczaj uzwojenia są połączone w gwiazdę (rys.1.5). Każde z trzech uzwojeń 
jest podzielone na dwie części, co tworzy 6-biegunowy stojan. wirnik pokazany na rysunku posiada tylko dwa 
bieguny, ale w praktycznych rozwiązaniach stosuje się wirniki cztero lub sześciobiegunowe.  

 

Rys.1.5. Przekrój silnika 3-pasmowego oraz sposób połączenia jego uzwojeń 

Bipolarne sterowanie uzwojeń może być realizowane według schematu pokazanego na rysunku 1.6. W silniku 

2-pasmowym  do  sterowania  wymagane  są  dwa  przebiegi  prostokątne,  przesunięte  o  180



,  silnik  3-pasmowy 

wymaga trzech przebiegów przesuniętych o 120



.  

 

Rys.1.6. Bipolarny sterownik silnika 3-pasmowego 

Na rysunku 1.7 przedstawiono idealizowane przebiegi czasowe prądów płynących w poszczególnych pasmach 

dla silnika 2-pasmowego oraz 3-pasmowego przy sterowaniu unipolarnym i bipolarnym. 

Zasadę  działania  silnika  wyjaśniono  na  rysunku  1.8,  na  którym  przedstawiono  poszczególne  fazy  obrotu 

wirnika  w  przypadku  sterowania  pasm  według  sekwencji  pokazanej  na  rysunku  1.7c.  Zmiany  momentu 
obrotowego w funkcji kąta obrotu wirnika są w silniku 3-pasmowym stosunkowo niewielkie. Można je jeszcze 
zminimalizować stosując odpowiednie algorytmy sterowania. W celu uzyskania praktycznie gładkiego momentu 
wymagany jest sinusoidalny przebieg prądu w poszczególnych pasmach, ale wówczas w zasadzie nie jest to już 
silnik prądu stałego. 

 

Rys.1.7.  Przebiegi  czasowe  prądów  poszczególnych  pasm  dla  silnika  a)  2-pasmowego  i  sterowaniu  unipolarnym,  b)  3-
pasmowego i sterowaniu unipolarnym, c) 3-pasmowego i sterowaniu bipolarnym 

 

 

Rys.1.8. Zasada działania silnika 3-pasmowego 

Podział silników ze względu na rodzaj wirnika 

Silniki BLDC (i nie tylko)  mogą  mieć różną budowę  wirnika. Silnik z  wirnikiem  wewnętrznym  ma budowę 

”klasyczną”, czyli wirnik w kształcie walca znajduje się wewnątrz stojana z uzwojeniami. W silniku z wirnikiem 
zewnętrznym,  magnetyczny  wirnik  ma  kształt  kubka  i  obraca  się  wokół  nieruchomego  stojana.  Silnik  z 
wirnikiem  zewnętrznym  ma  większy  moment  obrotowy,  ale  i  większą  bezwładność,  co  ogranicza  jego 
zastosowanie, gdy wymagane jest bardzo szybkie rozpędzanie i hamowanie silnika. Duży moment bezwładności 
może być  jednak dużą zaletą  w niektórych przypadkach ponieważ  może bardzo ułatwia stabilizację  prędkości 
obrotowej w przypadku zmiany momentu obciążenia. Dodatkowo taki wirnik jest mało podatny na drgania które 
mogą  się  pojawić  przy  pracy  z  dużą  prędkością  obrotową.  Takie  rozwiązanie  jest  stosowane  masowo  w 
napędach dysków twardych, CD, DVD, wiatrakach itp. gdzie zależy nam na stabilizacji prędkości obrotowej.