Data ostatniej aktualizacji: 2026-10-16
Wirnik i stojan w silniku piastowym współpracują, zamieniając energię elektryczną z akumulatora na ruch obrotowy koła. W typowym bezszczotkowym silniku prądu stałego (BLDC) nieruchomy stojan ma miedziane uzwojenia, a obracający się wirnik – magnesy trwałe. Odpowiednio sterowany prąd w uzwojeniach wytwarza zmieniające się pole magnetyczne, które oddziałuje z magnesami wirnika i powoduje jego obrót. Wyjaśniamy, jak to działa i dlaczego wirnik nie zawsze znajduje się po zewnętrznej stronie silnika.
- Stojan jest nieruchomą częścią silnika, a wirnik – jego częścią obracającą się.
- W omawianych silnikach BLDC prąd płynący przez uzwojenia stojana wytwarza pole magnetyczne oddziałujące z magnesami wirnika.
- Elektronika musi odpowiednio zmieniać prądy w uzwojeniach, aby wirnik obracał się w sposób ciągły i kontrolowany.
- Wirnik może otaczać stojan (outrunner) albo znajdować się wewnątrz niego (inrunner). Sama obecność przekładni nie przesądza o tym, czy wirnik znajduje się wewnątrz stojana, czy go otacza.
- W silniku bezprzekładniowym wirnik obraca się razem z kołem. W silniku przekładniowym podczas napędzania koła wirnik obraca się szybciej od niego, a przekładnia zmniejsza prędkość obrotową przekazywaną na koło.
Czym są wirnik i stojan w silniku piastowym?
Po otwarciu typowego silnika piastowego zobaczysz część z miedzianymi uzwojeniami oraz element z magnesami. To stojan i wirnik – podstawowe elementy elektromagnetyczne silnika. W wyniku ich współdziałania powstaje moment obrotowy, który trafia na koło bezpośrednio albo przez przekładnię.
Stojan (ang. stator) pozostaje nieruchomy. W typowym silniku bezszczotkowym składa się z uzwojeń z izolowanego drutu miedzianego oraz rdzenia z cienkich blach elektrotechnicznych. Prąd płynący przez uzwojenia wytwarza pole magnetyczne, a rdzeń skupia i prowadzi strumień magnetyczny. Zastosowanie cienkich, wzajemnie izolowanych blach ogranicza straty powodowane przez prądy wirowe.
Wirnik (ang. rotor) jest częścią obracającą się. W silnikach BLDC znajdują się na nim magnesy trwałe, rozmieszczone z naprzemiennymi biegunami północnymi i południowymi. Wirnik i stojan oddziela niewielka szczelina powietrzna – podczas prawidłowej pracy nie powinny się o siebie ocierać.
Nazwy opisują to, czy część się obraca, a nie jej położenie. W popularnym układzie outrunner wirnik z magnesami otacza nieruchomy stojan. W układzie inrunner jest odwrotnie: obracający się wirnik znajduje się wewnątrz stojana. Nie należy więc rozpoznawać wirnika wyłącznie po tym, że jest największy albo znajduje się na zewnątrz.
Na grafice otwierającej artykuł pokazaliśmy oba rozwiązania: po lewej silnik z wirnikiem wewnętrznym, a po prawej – z wirnikiem zewnętrznym. Zaznaczyliśmy również położenie stojana.
W wielu silnikach piastowych stojan jest zamocowany do nieruchomej osi. Nie we wszystkich konstrukcjach wygląda to jednak tak samo. Podstawową zasadę działania stojana, uzwojeń i magnesów opisuje Microchip w materiale o silnikach BLDC.
Jak magnesy i uzwojenia wprawiają wirnik w ruch?
Ciągły obrót wirnika wymaga odpowiedniego sterowania prądem w uzwojeniach. Proces ten można opisać w czterech krokach.
- Akumulator dostarcza energię. Zasilanie trafia do układu sterującego silnikiem. To on kształtuje prądy płynące przez uzwojenia – same uzwojenia nie są podłączone do akumulatora na stałe.
- Prąd w uzwojeniach wytwarza pole magnetyczne. Przełączanie prądów w poszczególnych fazach sprawia, że pole magnetyczne stojana przemieszcza się wokół osi silnika. Zależnie od metody sterowania odbywa się to skokowo lub w sposób bardziej płynny.
- Powstaje moment obrotowy. Pole stojana oddziałuje z magnesami wirnika, powodując jego obrót.
- Zmiana prądów podtrzymuje ruch. Sterownik zmienia je w ściśle określonej kolejności, tak aby pole stojana nadal wytwarzało moment napędzający obracający się wirnik.
Magnesy trwałe na wirniku nie wymagają zasilania – wytwarzają własne pole magnetyczne. Prąd doprowadza się do nieruchomych uzwojeń stojana. Dzięki temu nie potrzeba szczotek ani mechanicznego komutatora, które w tradycyjnym silniku szczotkowym doprowadzają prąd do obracających się uzwojeń i przełączają jego kierunek.
Takie sterowanie prądem w poszczególnych uzwojeniach nazywa się komutacją elektroniczną. W silnikach BLDC rolę mechanicznego komutatora przejmuje sterownik, który przełącza prądy w uzwojeniach za pomocą tranzystorów. Przebieg tych prądów zależy od zastosowanej metody sterowania.
Gdyby pole stojana pozostawało nieruchome, wirnik dążyłby do ustawienia się zgodnie z jego kierunkiem, zamiast być stale napędzany. Aby utrzymać obrót, sterownik musi na bieżąco dopasowywać pole stojana do położenia wirnika. Mechanizm ten przedstawia nota techniczna Microchip AN885.
Skąd sterownik wie, kiedy zmienić prąd? Zależnie od konstrukcji może korzystać z sygnałów czujników położenia wirnika albo oszacować jego położenie na podstawie sygnałów elektrycznych silnika. Nie każdy silnik BLDC ma zatem czujniki Halla. Ich działanie wyjaśniamy osobno w artykule o czujniku Halla w rowerze elektrycznym, a sposób pracy elektroniki – w poradniku o sterowniku silnika.
Moment obrotowy powstaje w części elektromagnetycznej silnika – między stojanem a wirnikiem. Jeśli piasta ma przekładnię, jej zadaniem jest dostosowanie prędkości obrotowej i momentu przekazywanych dalej na koło – nie wytwarzanie ruchu z energii elektrycznej.
Co obraca się w silniku przekładniowym, a co w bezprzekładniowym?
Wirnik może być połączony z kołem na dwa zasadniczo różne sposoby: bezpośrednio albo przez przekładnię. Od tego zależy, czy podczas napędzania koła obraca się z taką samą prędkością jak ono, czy znacznie szybciej.
| Cecha | Silnik przekładniowy | Silnik bezprzekładniowy (direct drive) |
|---|---|---|
| Obrót wirnika | Podczas napędzania koła wirnik obraca się szybciej od niego. | Wirnik obraca się z tą samą prędkością co koło. |
| Droga napędu | Wirnik napędza koło przez przekładnię redukcyjną. | Wirnik jest połączony z obracającą się obudową piasty, bez przekładni redukcyjnej. |
| Położenie wirnika | Zależne od konstrukcji: spotyka się outrunner i inrunner. | W typowej piaście BLDC wirnik otacza stojan. |
W typowym silniku bezprzekładniowym magnesy są osadzone na stalowym pierścieniu wewnątrz obracającej się obudowy piasty, a stojan z uzwojeniami pozostaje nieruchomy. Wirnik jest więc bezpośrednio połączony z obudową, do której przymocowane są szprychy. Przykładem takiego napędu jest Grin All-Axle.
W silniku przekładniowym podczas przekazywania napędu na koło wirnik obraca się szybciej niż koło. Przekładnia obniża prędkość obrotową na wyjściu, a w zamian zwiększa moment obrotowy, choć część energii jest tracona na tarcie. Nie zwiększa przy tym mocy. Pozwala natomiast zastosować mniejszy, szybciej obracający się silnik elektryczny.
Dlaczego „podczas przekazywania napędu”? Bo w większości takich piast sprzęgło jednokierunkowe pozwala kołu toczyć się bez obracania wirnika.
Przykład odmiennej konstrukcji: Bafang G310 i G311. Według dokumentacji Grin Technologies większość przekładniowych silników piastowych ma wirnik zewnętrzny napędzający koło słoneczne przekładni planetarnej, natomiast te dwa modele mają niewielki wirnik wewnętrzny (inrunner) i przekładnię planetarną o łącznej redukcji 11:1. Pokazuje to, że sama obecność przekładni nie przesądza, po której stronie stojana znajdują się magnesy.
Jak wygląda taka konstrukcja w praktyce? Poniższy film Grin Technologies pokazuje demontaż silnika Bafang G310. Można zobaczyć na nim wirnik, stojan oraz przekładnię, która przekazuje napęd na koło.
Demontaż silnika Bafang G310: Grin Technologies / YouTube.
Wystające elementy stalowego rdzenia stojana, nazywane zębami, nie mają nic wspólnego z przekładnią i nie stykają się z wirnikiem. Między stojanem a wirnikiem pozostaje niewielka szczelina, przez którą oddziałuje pole magnetyczne.
Uwaga przy demontażu: zdjęcia i filmy pokazują budowę, nie są uniwersalną instrukcją rozbierania piasty. Silne magnesy mogą gwałtownie przyciągać metalowe części, a nieostrożne otwieranie obudowy grozi uszkodzeniem przewodów, uszczelnień i elementów wirnika. Jeśli chcesz rozebrać własny silnik, najpierw sprawdź dokumentację konkretnego modelu i odłącz zasilanie zgodnie z zaleceniami producenta.
Mechaniczną stronę tego napędu opisujemy w osobnych artykułach: o nylonowych zębatkach przekładni planetarnej oraz o sprzęgle jednokierunkowym w silniku piastowym.
Położenie magnesów i uzwojeń może się różnić między modelami, ale ich funkcja pozostaje taka sama. Stojan i wirnik odpowiadają za wytwarzanie momentu obrotowego, a przekładnia – jeśli występuje – przekazuje go na koło, zmieniając prędkość obrotową i moment.
Źródła i materiały techniczne
- Microchip – Introduction to BLDC Motor Commutation and Control Architectures: budowa wirnika i stojana, komutacja elektroniczna oraz metody sterowania.
- Microchip – AN885, Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals: uzwojenia stojana, magnesy wirnika i powstawanie momentu elektromagnetycznego.
- Grin Technologies – Hub Motor Options: różnice między silnikami przekładniowymi i bezprzekładniowymi.
- Grin Technologies – Bafang G310/G311: wirnik wewnętrzny, budowa przekładni i redukcja 11:1.
- Grin Technologies – All-Axle Hub Motor: przykład silnika piastowego z napędem bezpośrednim.
- Grin Technologies – Bafang G310 Motor Disassembly Video: materiał filmowy pokazujący rzeczywistą konstrukcję silnika.
Dodaj komentarz