Przy oglądaniu silnika elektrycznego łatwo założyć, że w środku zawsze znajduje się jeden duży magnes. W rzeczywistości jego położenie zależy od konstrukcji: może znajdować się w stojanie, w wirniku albo zostać zastąpiony polem wytwarzanym przez uzwojenie. W silniku elektrycznym magnes jest częścią układu magnetycznego, ale nie zawsze ma postać osobnego magnesu trwałego.
Położenie magnesu zależy od typu silnika
- Stojan może zawierać magnesy trwałe albo elektromagnesy.
- Wirnik ma magnesy trwałe między innymi w silnikach BLDC i PMSM.
- Silnik indukcyjny zwykle nie ma magnesów trwałych, ponieważ pole powstaje dzięki uzwojeniom i indukcji.
- O obrocie decyduje oddziaływanie pól magnetycznych oraz właściwe przełączanie prądu.
- Przy demontażu trzeba uważać na silne przyciąganie elementów stalowych i ryzyko uszkodzenia magnesów.
Gdzie dokładnie znajduje się magnes w silniku
Najpierw trzeba rozróżnić dwie podstawowe części maszyny. Stojan pozostaje nieruchomy i otacza wirnik, natomiast wirnik obraca się razem z wałem. Magnes może należeć do jednej albo drugiej części, a w niektórych silnikach nie ma go w formie magnesu trwałego wcale.
W prostym silniku prądu stałego magnesy trwałe najczęściej umieszcza się na obwodzie stojana. Wytwarzają nieruchome pole magnetyczne, a znajdujące się wewnątrz uzwojenie wirnika, zasilane przez komutator i szczotki, zaczyna się obracać. Taki układ można spotkać w małych napędach, zabawkach, wentylatorach czy prostych urządzeniach warsztatowych.
W silniku bezszczotkowym sytuacja często wygląda odwrotnie. Magnesy trwałe są zamontowane na wirniku, a uzwojenia znajdują się w stojanie. Elektroniczny sterownik przełącza prąd w odpowiednich cewkach, dzięki czemu wirujące pole stojana „ciągnie” za sobą wirnik.
Magnes na powierzchni albo wewnątrz wirnika
W konstrukcjach z magnesami trwałymi spotyka się dwa popularne rozwiązania. Magnesy mogą być przyklejone lub zamocowane na powierzchni wirnika, co upraszcza budowę i dobrze sprawdza się przy mniejszych obciążeniach. Mogą też zostać umieszczone w specjalnych gniazdach wewnątrz pakietu blach wirnika. To rozwiązanie lepiej chroni je przed siłą odśrodkową i pozwala uzyskać korzystniejsze parametry przy dużej prędkości.
Nie ma więc jednej odpowiedzi pasującej do każdego urządzenia. Gdy ktoś pyta, gdzie znajduje się magnes, najbezpieczniej odpowiedzieć: w stojanie lub wirniku, zależnie od rodzaju silnika. Sama obecność wirnika i uzwojeń nie przesądza jeszcze o zastosowaniu magnesów trwałych.
Dlaczego magnes wprawia wirnik w ruch
Silnik zamienia energię elektryczną na mechaniczną dzięki sile działającej na przewodnik, przez który płynie prąd, gdy znajduje się on w polu magnetycznym. W uproszczeniu przewodnik z prądem zachowuje się jak elektromagnes. Jego pole oddziałuje z polem stojana i powstaje moment obrotowy, czyli siła powodująca obrót wału.
Sam magnes nie obraca jednak silnika bez końca. Gdyby pola pozostawały nieruchome, wirnik szybko ustawiłby się w pozycji, w której siły przestałyby go skutecznie obracać. Dlatego w silniku szczotkowym rolę przełącznika pełni komutator, a w bezszczotkowym robi to sterownik elektroniczny.
W praktyce przełączanie zmienia kierunek pola w uzwojeniach tak, aby wirnik stale był przyciągany lub odpychany w następnym położeniu. To właśnie dlatego uszkodzenie szczotek, komutatora, czujnika Halla albo sterownika może zatrzymać silnik, mimo że magnesy są nadal sprawne.
Co daje silniejsze pole magnetyczne
Większa indukcja magnetyczna może zwiększyć moment obrotowy i gęstość mocy, ale nie oznacza automatycznie lepszego silnika. Trzeba jeszcze odprowadzić ciepło, dobrać uzwojenia, łożyska i sterowanie. Przegrzanie uzwojeń może zniszczyć izolację, a zbyt wysoka temperatura może także osłabić magnesy neodymowe.
W warsztacie często przecenia się samą „moc magnesu”. O osiągach decyduje cały obwód magnetyczny, szczelina powietrzna, liczba zwojów, prąd, prędkość obrotowa i jakość sterowania. Wymiana pojedynczego magnesu na mocniejszy bez obliczeń może zwiększyć prąd, hałas albo temperaturę zamiast poprawić pracę urządzenia.
Nie każdy silnik ma magnes trwały
To najczęstsze nieporozumienie związane z budową napędów. Każdy silnik wykorzystuje pole magnetyczne, ale nie każdy potrzebuje kawałka materiału namagnesowanego na stałe. W wielu konstrukcjach pole tworzą elektromagnesy zasilane prądem.
| Typ silnika | Gdzie powstaje pole | Czy ma magnes trwały | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Silnik prądu stałego szczotkowy | Magnesy lub elektromagnesy stojana oraz uzwojenie wirnika | Często tak | Małe napędy, narzędzia, mechanizmy |
| Silnik BLDC | Magnesy na wirniku, uzwojenia w stojanie | Tak | Wentylatory, roboty, napędy precyzyjne |
| Silnik synchroniczny PMSM | Magnesy trwałe wirnika i wirujące pole stojana | Tak | Serwonapędy, pojazdy elektryczne, automatyka |
| Silnik indukcyjny klatkowy | Uzwojenia stojana indukują prądy w wirniku | Zwykle nie | Pompy, wentylatory, maszyny przemysłowe |
| Silnik reluktancyjny | Zmienne pole stojana i odpowiednio ukształtowany wirnik | Nie zawsze | Automatyka i napędy energooszczędne |
W silniku indukcyjnym wirnik może wyglądać jak metalowa klatka złożona z prętów i pierścieni. Nie znajdziemy tam typowych magnesów trwałych, ponieważ prąd w wirniku powstaje przez indukcję. Pole stojana obraca się, a wirnik podąża za nim z niewielkim poślizgiem.
Ta różnica ma znaczenie przy diagnozie. Jeżeli silnik indukcyjny nie działa, szukanie „wypadniętego magnesu” nie ma sensu. Trzeba sprawdzić między innymi zasilanie, uzwojenia, kondensator w wersji jednofazowej, łożyska i stan klatki wirnika.
Jak rozpoznać położenie magnesów podczas oględzin
Bez dokumentacji technicznej można wstępnie ocenić konstrukcję, ale trzeba zachować ostrożność. Po zdjęciu obudowy warto najpierw odłączyć zasilanie, rozładować kondensatory i zabezpieczyć wał. Pomiar napięcia przed demontażem jest ważniejszy niż szybkie zajrzenie do środka.
Co wskazuje na magnesy w wirniku
- Wirnik ma gładki, zamknięty pakiet blach z widocznymi segmentami lub wkładkami.
- Po zbliżeniu stalowego elementu wyczuwalne jest silne, powtarzalne przyciąganie w określonych miejscach.
- Silnik ma trzy przewody fazowe i często współpracuje z osobnym sterownikiem.
- Na obudowie lub tabliczce pojawiają się oznaczenia BLDC, PMSM albo IPM.
Magnesy wirnika bywają zalane klejem, osłonięte tuleją albo schowane w stalowych kieszeniach. Ich brak na pierwszy rzut oka nie oznacza więc, że silnik ich nie ma. W wielu modelach trzeba posłużyć się dokumentacją, pomiarem siły przeciwelektromotorycznej albo oceną przebiegów zasilania.
Przeczytaj również: Uziemienie ochronne - klucz do bezpieczeństwa w warsztacie?
Co wskazuje na magnesy w stojanie
W małym silniku prądu stałego po zdjęciu obudowy można zobaczyć dwa łukowe elementy przyklejone do wewnętrznej strony korpusu. To zwykle magnesy stojana. W większych maszynach zamiast nich znajdują się cewki nawinięte na rdzeniach, czyli elektromagnesy.
Jeżeli stojan ma wiele żłobków z miedzianym uzwojeniem, a wirnik jest prostą klatką bez magnesów, prawdopodobnie mamy do czynienia z silnikiem indukcyjnym. Taki układ jest ceniony za trwałość i niski koszt, choć wymaga innego sterowania niż napęd z magnesami trwałymi.
Co może się stać z magnesem i jak bezpiecznie pracować
Magnesy trwałe są odporne na typowe użytkowanie, ale nie są niezniszczalne. Uderzenie, niewłaściwe klejenie, przegrzanie i korozja mogą zmienić ich właściwości. W silniku wirującym szczególnie groźne jest odklejenie segmentu, ponieważ nawet mały element może uszkodzić szczelinę powietrzną, uzwojenie i pakiet blach.
Przy demontażu nie należy podważać magnesu stalowym narzędziem bez kontroli. Magnes neodymowy może gwałtownie przyciągnąć klucz, skaleczyć palce albo pęknąć. W warsztacie stosuję rękawice, okulary ochronne i niemagnetyczne przekładki, a elementy odkładam w oznaczonej kolejności, żeby nie pomylić biegunów.
Nie powinno się także podgrzewać magnesu „na oko” palnikiem. Dopuszczalna temperatura zależy od gatunku, a jej przekroczenie może trwale zmniejszyć namagnesowanie. Przy naprawie silnika ważniejsze od samej wymiany magnesu jest zachowanie jednakowej orientacji biegunów i właściwej szczeliny powietrznej.
Po naprawie trzeba sprawdzić, czy wirnik obraca się bez tarcia, czy nie ma luzu osiowego i czy uzwojenia nie mają zwarcia do obudowy. W silnikach z magnesami trwałymi pomiar rezystancji nie zawsze wystarcza. Przydatne bywają test izolacji, kontrola prądu jałowego oraz obserwacja temperatury podczas krótkiej próby.
Najważniejsza wskazówka przed naprawą silnika
Najprościej zapamiętać to tak: magnes tworzy jedną z części pola magnetycznego, ale jego miejsce zależy od konstrukcji. W małym silniku szczotkowym często znajdzie się w stojanie, w napędzie BLDC lub PMSM zwykle siedzi w wirniku, a w silniku indukcyjnym może nie być go wcale.
Przed rozebraniem urządzenia odczytaj oznaczenie z tabliczki, sprawdź sposób zasilania i poszukaj schematu konkretnego modelu. Taki krótki przygotowawczy krok ogranicza ryzyko pomylenia silnika z magnesami trwałymi z konstrukcją indukcyjną, a także chroni przed uszkodzeniem elementów, których nie da się łatwo odtworzyć.
