borstlösa Vs borstade likströmsmotorer: när och varför att välja en över den andra

DC-borstade motorer

DC-borstade motorer (bild av maxon group)

DC-motorer använder lindade trådspolar för att skapa ett magnetfält. I en borstad motor är dessa spolar fria att rotera för att driva en axel – de är den del av motorn som kallas ”rotorn”. Vanligtvis lindas spolarna runt en järnkärna, även om det också finns borstade motorer som är ”kärnlösa”, där lindningen är självstödd.

den fasta delen av motorn kallas ”stator”. Permanenta magneter används för att tillhandahålla ett stationärt magnetfält. Normalt är dessa magneter placerade på statorns inre yta, utanför rotorn.

för att skapa vridmoment, vilket gör att rotorn snurrar, måste Rotorns magnetfält kontinuerligt rotera, så att det är fält som lockar och stöter bort statorns fasta fält. För att få fältet att rotera används en glidande elektrisk omkopplare. Omkopplaren består av kommutatorn, som vanligtvis är en segmenterad kontakt monterad på rotorn, och fasta borstar som är monterade på statorn.

när rotorn vrider, slås olika uppsättningar rotorlindningar ständigt på och av av kommutatorn. Detta gör att Rotorns spolar ständigt lockas och avvisas från statorns fasta magneter, vilket gör att rotorn snurrar.

eftersom det finns viss mekanisk friktion mellan borstarna och kommutatorn – och eftersom det är en elektrisk kontakt, kan den i allmänhet inte smörjas – det finns mekaniskt slitage på borstarna och kommutatorn under motorns livstid. Detta slitage kommer så småningom att nå en punkt där motorn inte längre fungerar. Många borstade motorer – särskilt stora – har utbytbara borstar, vanligtvis gjorda av kol, som är utformade för att upprätthålla god kontakt som slitage. Dessa motorer kräver regelbundet underhåll. Även med utbytbara borstar, så småningom bär kommutatorn också så att motorn måste bytas ut.

för att driva en borstad motor appliceras likspänning över borstarna, som passerar ström genom rotorlindningarna för att få motorn att snurra.

i de fall där rotation endast behövs i en riktning, och hastighet eller vridmoment inte behöver styras, krävs ingen drivelektronik alls för en borstad motor. I sådana applikationer slås likspänningen helt enkelt på och av för att motorn ska gå eller stanna. Detta är typiskt i billiga applikationer som motoriserade leksaker. Om reversering behövs kan den åstadkommas med hjälp av en dubbelpolig omkopplare.

för att underlätta kontrollen av hastighet, vridmoment och riktning används en ”H-bro” som består av elektroniska omkopplare – Transistorer, IGBT eller MOSFET – för att låta motorn köras i båda riktningarna. Detta gör att spänningen kan appliceras på motorn i antingen polaritet, vilket gör att motorn roterar i motsatta riktningar. Motorvarvtalet eller vridmomentet kan styras genom att pulsbredden modulerar en av omkopplarna.

borstlösa likströmsmotorer

borstlösa likströmsmotorer (bild av maxon group)

borstlösa likströmsmotorer arbetar på samma princip för magnetisk attraktion och repulsion som borstmotorer, men de är konstruerade något annorlunda. I stället för en mekanisk kommutator och borstar roteras statorns magnetfält med hjälp av elektronisk kommutering. Detta kräver användning av aktiv styrelektronik.

i en borstlös motor har rotorn permanenta magneter fästa på den och statorn har lindningar. Borstlösa motorer kan konstrueras med rotorn på insidan, som visas ovan, eller med rotorn på utsidan av lindningarna (kallas ibland en ”outrunner” – motor).

antalet lindningar som används i en borstlös motor kallas antalet faser. Även borstlösa motorer kan konstrueras med olika antal faser, trefas borstlösa motorer är de vanligaste. Ett undantag är små kylfläktar som bara kan använda en eller två faser.

de tre lindningarna på en borstlös motor är anslutna i antingen en ”stjärna” eller en ”delta” – konfiguration. I båda fallen finns det tre ledningar som ansluter till motorn, och drivtekniken och vågformen är identisk.

med tre faser kan motorer konstrueras med olika magnetiska konfigurationer, så kallade poler. De enklaste 3-fasmotorerna har två poler: rotorn har bara ett par magnetiska poler, en Norr och en Söder. Motorer kan också byggas med fler poler, vilket kräver mer magnetiska sektioner i rotorn och fler lindningar i statorn. Högre polantal kan ge högre prestanda, men mycket höga hastigheter uppnås bättre med lägre polantal.

för att driva en trefas borstlös motor måste var och en av de tre faserna kunna köras till antingen ingångsspänningen eller marken. För att uppnå detta används tre ”halvbro” – drivkretsar, var och en består av två omkopplare. Omkopplarna kan vara bipolära Transistorer, IGBT eller MOSFET, beroende på spänning och ström som krävs.

det finns ett antal drivtekniker som kan användas för trefas borstlösa motorer. Den enklaste kallas trapezformad, block eller 120 graders kommutering. Trapezformad kommutering liknar något den kommuteringsmetod som används i en DC-borstmotor. I detta schema är en av de tre faserna vid varje given tidpunkt ansluten till marken, en lämnas öppen och den andra drivs till matningsspänningen. Om hastighet eller vridmomentreglering behövs, är vanligtvis den fas som är ansluten till tillförseln pulsbredd modulerad. Eftersom faserna byts plötsligt vid varje kommutationspunkt, medan Rotorns rotation är konstant, finns det en viss variation av vridmoment (kallad vridmomentrippel) när motorn roterar.

för högre prestanda kan andra kommuteringsmetoder användas. Sinus, eller 180-graders, kommutering Driver Ström noggrann alla tre motorfaser hela tiden. Drivelektroniken genererar en sinusformad ström men varje fas, varje skiftad 120 grader från den andra. Denna drivteknik minimerar vridmomentrippel, såväl som akustiskt brus och vibrationer, och används ofta för högpresterande eller högeffektiva enheter.

för att rotera fältet korrekt måste styrelektroniken känna till magneternas fysiska position på rotorn i förhållande till statorn. Ofta erhålls positionsinformationen med hjälp av Hall-sensorer som är monterade på statorn. När den magnetiska rotorn vrider, tar Hall-sensorerna upp Rotorns magnetfält. Denna information används av drivelektroniken för att passera ström genom statorlindningarna i en sekvens som får rotorn att snurra.

med hjälp av tre Hall-sensorer kan trapezformad kommutering implementeras med enkel kombinationslogik, så ingen sofistikerad styrelektronik behövs. Andra kommuteringsmetoder, som sinuskommutation, kräver lite mer sofistikerad styrelektronik och använder vanligtvis en mikrokontroller.

förutom att ge positionsåterkoppling med Hall-sensorer finns det olika metoder som kan användas för att bestämma rotorpositionen utan sensorer. Det enklaste är att övervaka den bakre EMF på en odriven fas för att känna av magnetfältet i förhållande till statorn. En mer sofistikerad kontrollalgoritm, kallad Fältorienterad kontroll eller FOC, beräknar positionen baserat på rotorströmmar och andra parametrar. FOC kräver vanligtvis en ganska kraftfull processor, eftersom det finns många beräkningar som måste utföras mycket snabbt. Detta är naturligtvis dyrare än en enkel trapezformad kontrollmetod.

borstade och borstlösa motorer: fördelar och nackdelar

beroende på din applikation finns det skäl till varför du kan välja att använda en borstlös motor över en borstad motor. Följande tabell sammanfattar de viktigaste fördelarna och nackdelarna med varje motortyp:

	borstad motor	borstlös motor
livslängd	kort (borstar slits ut)	lång (inga borstar att bära)
hastighet och Acceleration	Medium	hög
effektivitet	Medium	hög
elektriskt brus	bullrigt (Bussning)	tyst
akustiskt brus & vridmoment rippel	Dålig	Medium (trapetsformad) eller bra (sinus)
kostnad	lägsta	Medium (tillsatt Elektronik)

livslängd

som tidigare nämnts är en av nackdelarna med borstade motorer att det finns mekaniskt slitage på borstarna och kommutatorn. I synnerhet kolborstar är offer, och i många motorer är de konstruerade för att bytas ut regelbundet som en del av ett underhållsprogram. Kommutatorns mjuka koppar slits också långsamt bort av borstarna och når så småningom en punkt där motorn inte längre kommer att fungera. Eftersom borstlösa motorer inte har några rörliga kontakter lider de inte av detta slitage.

hastighet och Acceleration

borstade motorer rotationshastigheten kan begränsas av borstar och kommutator, liksom massan av rotorn. Vid mycket höga hastigheter kan borsten till kommutatorkontakten bli oregelbunden och borstbågningen ökar. De flesta borstade motorer använder också en kärna av laminerat järn i rotorn, vilket ger dem stor roterande tröghet. Detta begränsar motorns accelerations-och retardationshastigheter. Det är möjligt att bygga en borstlös motor med mycket kraftfulla sällsynta jordartsmagneter på rotorn, vilket minimerar rotationströgheten. Naturligtvis ökar det kostnaden.

elektriskt brus

borstarna och kommutatorn bildar en slags elektrisk strömbrytare. När motorn vrider öppnas och stängs omkopplarna, medan signifikant ström strömmar genom rotorlindningarna, vilka är induktiva. Detta resulterar i ljusbågar vid kontakterna. Detta genererar en stor mängd elektriskt brus, som kan kopplas till känsliga kretsar. Bågning kan mildras något genom att tillsätta kondensatorer eller RC snubbers över borstarna, men den momentana omkopplingen av kommutatorn genererar alltid något elektriskt brus.

akustiskt brus

borstade motorer är ”hårt omkopplade” – det vill säga strömmen flyttas plötsligt från en lindning till en annan. Det genererade vridmomentet varierar över Rotorns rotation när lindningarna slås på och av. Med en borstlös motor är det möjligt att styra lindningsströmmarna på ett sätt som gradvis övergår ström från en lindning till en annan. Detta sänker vridmomentet rippel, vilket är en mekanisk pulsering av energi på rotorn. Torque rippel orsakar vibrationer och mekaniskt brus, särskilt vid låga rotorhastigheter.

kostnad

eftersom borstlösa motorer kräver mer sofistikerad elektronik är den totala kostnaden för en borstlös enhet högre än för en borstmotor. Även om en borstlös motor är enklare att tillverka än en borstad motor, eftersom den saknar borstar och en kommutator, är borstad motorteknik mycket mogen och tillverkningskostnaderna är låga. Detta förändras när borstlösa motorer blir mer populära, särskilt i applikationer med hög volym som bilmotorer. Kostnaden för elektronik, som mikrokontroller, fortsätter också att minska, vilket gör borstlösa motorer mer attraktiva.

sammanfattning

på grund av minskade kostnader och bättre prestanda ökar borstlösa motorer i popularitet i många applikationer. Men det finns fortfarande platser där borstade motorer är mer vettiga.

mycket kan läras genom att titta på antagandet av borstlösa motorer i bilar. Från och med 2020 har de flesta motorer som körs när bilen är igång – saker som pumpar och fläktar – flyttat från borstade motorer till borstlösa motorer för ökad tillförlitlighet. Den extra kostnaden för motorn och elektroniken kompenserar mer än den lägre frekvensen av fältfel och minskade underhållskrav.

å andra sidan har motorer som drivs sällan – till exempel motorer som flyttar kraftstolar och elfönster – förblivit huvudsakligen borstmotorer. Resonemanget är att den totala körtiden över bilens livslängd är mycket liten, och det är mycket osannolikt att motorerna kommer att misslyckas under bilens livslängd.

eftersom kostnaden för borstlösa motorer och tillhörande elektronik fortsätter att minska, hittar borstlösa motorer sig in i applikationer som traditionellt har hållits av borstade motorer. Som ett annat exempel från fordonsvärlden har sätesjusteringsmotorer i high end-kort antagit borstlösa motorer eftersom de genererar mindre akustiskt brus.

få teknisk support