Brushless Vs Brushed DC-Motoren: Wanneer en Waarom Kiest de Ene op de Andere

DC-Geborstelde Motoren

DC-Geborstelde Motoren (afbeelding door maxon group)

DC-motoren maken gebruik van opgerolde draden om een magnetisch veld te creëren. In een geborstelde motor zijn deze spoelen vrij om te draaien om een as aan te drijven – zij zijn het deel van de motor dat de “rotor”wordt genoemd. Meestal worden de spoelen om een ijzeren kern gewikkeld, maar er zijn ook geborstelde motoren die “coreless” zijn, waarbij de wikkeling zelf wordt ondersteund.

het vaste deel van de motor wordt de “stator”genoemd. Permanente magneten worden gebruikt om een stationaire magneetveld. Normaal worden deze magneten op het binnenoppervlak van de stator geplaatst, buiten de rotor.

om koppel te creëren, waardoor de rotor draait, moet het magnetische veld van de rotor continu draaien, zodat het veld het vaste veld van de stator aantrekt en afstoot. Om het veld te laten draaien, wordt een schuivende Elektrische schakelaar gebruikt. De schakelaar bestaat uit de commutator, die meestal een gesegmenteerd contact gemonteerd op de rotor, en vaste borstels die zijn gemonteerd op de stator.

naarmate de rotor draait, worden verschillende sets rotorwikkelingen voortdurend in-en uitgeschakeld door de commutator. Hierdoor worden de spoelen van de rotor voortdurend aangetrokken en afgestoten van de vaste magneten van de stator, waardoor de rotor draait.

omdat er enige mechanische wrijving is tussen de borstels en de commutator – en omdat het een elektrisch contact is, kan het over het algemeen niet worden gesmeerd – is er mechanische slijtage van de borstels en de commutator gedurende de levensduur van de motor. Deze slijtage zal uiteindelijk een punt bereiken waar de motor niet meer functioneert. Veel geborstelde motoren – vooral grote-hebben vervangbare borstels, meestal gemaakt van koolstof, die zijn ontworpen om goed contact te behouden als de slijtage. Deze motoren vereisen periodiek onderhoud. Zelfs bij vervangbare borstels slijt de commutator uiteindelijk ook tot het punt dat de motor moet worden vervangen.

om een geborstelde motor aan te drijven, wordt over de borstels gelijkspanning toegepast, die stroom door de rotorwikkelingen voert om de motor te laten draaien.

wanneer rotatie slechts in één richting nodig is en toerental of koppel niet hoeft te worden geregeld, is voor een geborstelde motor helemaal geen aandrijfelektronica vereist. In toepassingen als deze wordt de DC-spanning gewoon in-en uitgeschakeld om de motor te laten draaien of stoppen. Dit is typisch in goedkope toepassingen zoals gemotoriseerd speelgoed. Als omkering nodig is, kan het worden bereikt door een dubbele poolschakelaar te gebruiken.

om de regeling van toerental, koppel en richting te vergemakkelijken, wordt een “H-brug”, bestaande uit elektronische schakelaars – transistors, IGBT ‘ s of MOSFETs – gebruikt om de motor in beide richtingen te laten rijden. Hierdoor kan de spanning worden toegepast op de motor in beide polariteit, waardoor de motor draait in tegengestelde richtingen. Het motortoerental of koppel kan worden geregeld door pulsbreedtemodulatie van een van de schakelaars.

Borstelloze gelijkstroommotoren

Borstelloze gelijkstroommotoren (afbeelding door maxon group)

Borstelloze gelijkstroommotoren werken volgens hetzelfde principe van magnetische aantrekking en afstoting als borstelmotoren, maar zijn enigszins anders geconstrueerd. In plaats van een mechanische commutator en borstels, wordt het magnetische veld van de stator gedraaid met behulp van elektronische commutatie. Dit vereist het gebruik van actieve besturingselektronica.

in een borstelloze motor is de rotor voorzien van permanente magneten en heeft de stator windingen. Borstelloze motoren kunnen worden gebouwd met de rotor aan de binnenkant, zoals hierboven getoond, of met de rotor aan de buitenkant van de windingen (soms een “outrunner” motor genoemd).

het aantal windingen gebruikt in een borstelloze motor wordt het aantal fasen genoemd. Hoewel borstelloze motoren kunnen worden gebouwd met verschillende aantallen fasen, driefasige borstelloze motoren zijn de meest voorkomende. Een uitzondering zijn kleine koelventilatoren die slechts één of twee fasen mogen gebruiken.

de drie windingen van een borstelloze motor zijn verbonden in een “ster” – of een “delta” – configuratie. In beide gevallen zijn er drie draden aan te sluiten op de motor, en de aandrijftechniek en golfvorm is identiek.

met drie fasen kunnen motoren worden geconstrueerd met verschillende magnetische configuraties, die polen worden genoemd. De eenvoudigste 3-fase motoren hebben twee polen: de rotor heeft slechts één paar magnetische polen, één Noord en één Zuid. Motoren kunnen ook worden gebouwd met meer polen, die meer magnetische secties in de rotor, en meer windingen in de stator vereist. Hogere pooltellingen kunnen hogere prestaties leveren, hoewel zeer hoge snelheden beter worden bereikt met lagere pooltellingen.

om een driefasige borstelloze motor aan te drijven, moet elk van de drie fasen naar de voedingsspanning of de grond kunnen worden aangedreven. Om dit te bereiken, worden drie “halve brug” aandrijfcircuits gebruikt, elk bestaande uit twee schakelaars. De schakelaars kunnen bipolaire transistors, IGBTs of MOSFETs zijn, afhankelijk van de vereiste spanning en stroom.

er zijn een aantal aandrijftechnieken die kunnen worden toegepast voor driefasige borstelloze motoren. De eenvoudigste wordt trapeziumvormig, blok of 120-graden commutatie genoemd. Trapeziumvormige commutatie is enigszins vergelijkbaar met de commutatiemethode die wordt gebruikt in een DC-borstelmotor. In dit schema wordt op elk moment een van de drie fasen verbonden met de grond, de ene wordt opengelaten en de andere wordt naar de voedingsspanning gedreven. Als toerental-of koppelregeling nodig is, wordt meestal de fase die op de voeding is aangesloten, gemoduleerd. Aangezien de fasen abrupt worden geschakeld op elk commutatiepunt, terwijl de rotorrotatie constant is, is er enige variatie van koppel (de zogenaamde koppelrimpel) als de motor draait.

voor betere prestaties kunnen andere commutatiemethoden worden gebruikt. Sinus, of 180 graden, commutatie drijft stroom grondig alle drie de motor fasen de hele tijd. De aandrijfelektronica genereert een sinusvormige stroom, hoewel elke fase 120 graden van de andere is verschoven. Deze aandrijftechniek minimaliseert koppelrimpel, evenals akoestische ruis en trillingen, en wordt vaak gebruikt voor high performance of high efficiency drives.

om het veld goed te kunnen draaien, moet de besturingselektronica de fysieke positie van de magneten op de rotor ten opzichte van de stator kennen. Vaak wordt de positie informatie verkregen met behulp van Hall sensoren die zijn gemonteerd op de stator. Als de magnetische rotor draait, pikken de Hall-sensoren het magnetische veld van de rotor op. Deze informatie wordt door de aandrijfelektronica gebruikt om stroom door de statorwikkelingen te leiden in een volgorde die ervoor zorgt dat de rotor draait.

met behulp van drie Hall-sensoren kan trapeziumcommutatie worden uitgevoerd met eenvoudige combinationele logica, zodat er geen geavanceerde besturingselektronica nodig is. Andere commutatiemethoden, zoals sinuscommutatie, vereisen iets meer geavanceerde besturingselektronica, en gebruiken meestal een microcontroller.

naast het geven van positiefeedback met behulp van Hall-sensoren, zijn er verschillende methoden die kunnen worden gebruikt om de rotorpositie te bepalen zonder sensoren. De eenvoudigste is om de achterste EMF te controleren op een onrijpe fase om het magnetisch veld ten opzichte van de stator te detecteren. Een meer geavanceerd besturingsalgoritme, genaamd Veldgeoriënteerde controle of FOC, berekent de positie op basis van rotorstromen en andere parameters. FOC vereist typisch een vrij krachtige processor, aangezien er veel berekeningen zijn die zeer snel moeten worden uitgevoerd. Dit is natuurlijk duurder dan een eenvoudige trapeziumbesturingsmethode.

geborstelde en borstelloze motoren: voor-en nadelen

afhankelijk van uw toepassing zijn er redenen waarom u ervoor kiest om een borstelloze motor te gebruiken boven een geborstelde motor. De volgende tabel geeft een overzicht van de belangrijkste voor-en nadelen van elk motortype:

	borstelmotor	Brushless motor
Levensduur	Korte (borstels slijten)	Lange (geen borstels om te dragen)
Snelheid en Acceleratie	Medium	Hoog
Efficiëntie	Medium	Hoog
Elektrische Ruis	Luidruchtige (bush boog)	Rustig
Acoustic Noise & Koppel Rimpelspanning	Arme	Medium (trapezium) of goed (sinus)
kosten	laagste	Medium (toegevoegde elektronica))

levensduur

zoals eerder vermeld, is een van de nadelen van geborstelde motoren dat er mechanische slijtage is van de borstels en commutator. Koolborstels in het bijzonder zijn opofferend, en in veel motoren zijn ze ontworpen om periodiek te worden vervangen als onderdeel van een onderhoudsprogramma. Het zachte koper van de commutator wordt ook langzaam versleten door de borstels, en uiteindelijk een punt bereiken waar de motor niet meer zal werken. Omdat borstelloze motoren geen bewegende contacten hebben, hebben ze geen last van deze slijtage.

toerental en acceleratie

Geborstelde Motoren het toerental kan worden beperkt door de borstels en commutator, evenals de massa van de rotor. Bij zeer hoge snelheden kan het contact tussen de borstel en de commutator onregelmatig worden en neemt het bogen van de borstel toe. De meeste geborstelde motoren gebruiken ook een kern van gelamineerd ijzer in de rotor, waardoor ze grote rotatietraagheid. Dit beperkt de acceleratie en vertraging van de motor. Het is mogelijk om een borstelloze motor met zeer krachtige zeldzame aardmagneten op de rotor te bouwen, wat de rotatietraagheid minimaliseert. Natuurlijk, dat verhoogt de kosten.

elektrische ruis

borstels en commutator vormen een soort elektrische schakelaar. Als de motor draait, worden de schakelaars geopend en gesloten, terwijl aanzienlijke stroom door de rotorwikkelingen stroomt, die inductief zijn. Dit resulteert in vonken bij de contacten. Dit genereert een grote hoeveelheid elektrische ruis, die kan worden gekoppeld aan gevoelige circuits. Vonken kunnen enigszins worden beperkt door condensatoren of RC snubbers over de borstels toe te voegen, maar de onmiddellijke omschakeling van de commutator genereert altijd wat elektrisch geluid.

akoestische ruis

Geborstelde Motoren zijn “hard geschakeld”, dat wil zeggen dat de stroom abrupt van de ene wikkeling naar de andere wordt verplaatst. Het gegenereerde koppel varieert tijdens de rotatie van de rotor als de windingen in-en uitgeschakeld worden. Met een borstelloze motor is het mogelijk om de wikkelstromen zo te regelen dat de stroom geleidelijk van de ene wikkeling naar de andere overgaat. Dit verlaagt de koppelrimpel, een mechanische pulsatie van energie op de rotor. Koppelrimpel veroorzaakt trillingen en mechanisch lawaai, vooral bij lage rotorsnelheden.

kosten

aangezien borstelloze motoren meer geavanceerde elektronica vereisen, zijn de totale kosten van een borstelloze aandrijving hoger dan die van een borstelmotor. Hoewel een borstelloze motor eenvoudiger te vervaardigen is dan een geborstelde motor, omdat het borstels en een commutator mist, is de borstelmotor technologie zeer volwassen en de productiekosten zijn laag. Dit verandert naarmate borstelloze motoren populairder worden, vooral in toepassingen met een hoog volume, zoals automotive motoren. Ook de kosten van elektronica, zoals microcontrollers, blijven dalen, waardoor borstelloze motoren aantrekkelijker worden.

samenvatting

door dalende kosten en betere prestaties winnen borstelloze motoren in veel toepassingen aan populariteit. Maar er zijn nog steeds plaatsen waar geborstelde motoren zinvoller zijn.

veel kan worden geleerd door te kijken naar de invoering van borstelloze motoren in auto ‘ s. Vanaf 2020 zijn de meeste motoren die draaien wanneer de auto draait – dingen zoals pompen en ventilatoren – verplaatst van geborstelde motoren naar borstelloze motoren voor hun verhoogde betrouwbaarheid. De extra kosten van de motor en elektronica maken het lagere aantal veldstoringen en de lagere onderhoudseisen meer dan goed.

aan de andere kant blijven motoren die niet vaak worden bediend – bijvoorbeeld motoren die elektrische stoelen en elektrische ramen verplaatsen – voornamelijk borstelmotoren. De redenering is dat de totale looptijd over de levensduur van de auto is zeer klein, en het is zeer onwaarschijnlijk dat de motoren zal mislukken over de levensduur van de auto.Naarmate de kosten van borstelloze motoren en de bijbehorende elektronica blijven dalen, vinden borstelloze motoren hun weg naar toepassingen die traditioneel door geborstelde motoren worden gehouden. Als een ander voorbeeld uit de auto-wereld, seat adjustment motoren in high-end kaart zijn de vaststelling van borstelloze motoren, omdat ze minder akoestisch lawaai te genereren.

technische ondersteuning