In de miniatuurvloeistofcontrole-industrie vormen borstelloze motoren de belangrijkste krachtbron voor reguliere apparatuur, waaronder miniatuurwaterpompen en miniatuurvacuümpompen. Kleine magneetkleppen werken samen met motoren om automatische stroomregeling te bereiken. De laatste tijd hebben veel kopers van apparatuur zich geconcentreerd op BLDC-prestaties; daarom lanceren we een geserialiseerd populair-wetenschappelijk artikel om de kernkennis van deze hoogefficiënte motor uit te leggen.
De principes en toepassingen van hoogrendementmotoren begrijpen: Elektromotoren zetten de geleverde elektrische energie om in mechanische energie. Er worden veel verschillende soorten elektromotoren gebruikt. Onder hen zijn borstelloze gelijkstroommotoren (BLDC) zeer efficiënt en uitstekend regelbaar, en worden ze veel gebruikt in veel toepassingen. Vergeleken met andere typen motoren hebben BLDC-motoren energiebesparende voordelen.
Elektromotoren zijn elektrische transmissiemachines.
Wanneer ingenieurs voor de uitdaging staan om elektrische apparatuur te ontwerpen om mechanische taken uit te voeren, kunnen ze overwegen hoe elektrische signalen worden omgezet in energie. Daarom behoren actuatoren en motoren tot de apparaten die elektrische signalen in beweging omzetten. Motoren zetten elektrische energie om in mechanische energie.
De eenvoudigste elektromotor is de borstelloze gelijkstroommotor. Bij dit type motor stroomt de stroom door spoelen die in een vast magnetisch veld zijn geplaatst. Stroom genereert een magnetisch veld in de spoelen; dit zorgt ervoor dat het spoelsamenstel gaat roteren terwijl elke spoel van zijn eigen pool wordt weggeduwd en naar een pool van het vaste magnetische veld wordt getrokken. Om de rotatie in stand te houden, moet de stroom voortdurend worden omgekeerd, waardoor de polariteit van de spoel voortdurend wordt omgekeerd, waardoor de spoelen de pool van het tegenovergestelde magnetische veld blijven "achtervolgen". De stroom naar de spoelen wordt geleverd door vaste geleidende borstels die contact maken met de roterende commutator; de rotatie van de commutator zorgt ervoor dat de stroom in de tegenovergestelde richting door de spoelen vloeit. De commutator en borstels zijn de belangrijkste componenten die geborstelde gelijkstroommotoren onderscheiden van andere motoren.
Figuur 1 illustreert het algemene principe van een geborstelde gelijkstroommotor.
Figuur 1 illustreert het algemene principe van een geborstelde gelijkstroommotor.
Figuur 1: Werking van een geborstelde gelijkstroommotor.
De vaste borstels leveren elektrische energie aan de roterende commutator. Terwijl de commutator draait, keert deze voortdurend de richting van de stroom om die naar de spoelen vloeit, waardoor de polariteit van de spoelen wordt omgedraaid en ze naar rechts blijven draaien. De commutator roteert omdat deze is verbonden met een rotor waarop de spoelen zijn gemonteerd.
Veel voorkomende motortypen
Motoren verschillen in hun vermogenstype (AC of DC) en de manier waarop ze rotatie genereren (Figuur 2). Hieronder introduceren we kort de kenmerken en toepassingen van elk type.
Figuur 2: Verschillende soorten motoren
Geborstelde gelijkstroommotoren zijn eenvoudig van ontwerp, gemakkelijk te bedienen en worden veel gebruikt voor het openen en sluiten van schijfladen. In auto's worden ze vaak gebruikt om elektrische zijruiten in te schuiven, uit te schuiven en te positioneren. De lage kosten van deze motoren maken ze geschikt voor vele toepassingen. Een nadeel is echter dat de borstels en de commutator relatief snel slijten als gevolg van voortdurend contact, waardoor frequente vervanging en regelmatig onderhoud nodig zijn.
Stappenmotoren worden aangedreven door pulsen; voor elke ontvangen puls roteert deze met een specifieke hoek (stappen). Omdat het rotatieproces volledig wordt geregeld door het aantal ontvangen pulsen, worden deze motoren veel gebruikt voor positie-aanpassing. Ze worden vaak gebruikt om het papierinvoerproces in faxmachines en printers te controleren, omdat deze apparaten het papier in vaste stappen invoeren en deze stappen gemakkelijk in verband kunnen worden gebracht met het aantal pulsen. Ook de pauzeregeling is eenvoudig te implementeren, omdat de motorrotatie onmiddellijk stopt wanneer het pulssignaal wordt onderbroken.
Bij gebruik van synchrone motoren wordt de rotatie gesynchroniseerd met de frequentie van de voedingsstroom. Deze motoren worden vaak gebruikt om de roterende bakplaten in magnetrons aan te drijven; de reductietandwielen in de motorunit zorgen voor de juiste rotatiesnelheid om voedsel te verwarmen. Bij inductiemotoren varieert de rotatiesnelheid met de frequentie, maar de bewegingen zijn asynchroon. In het verleden werden deze motoren veel gebruikt in elektrische ventilatoren en wasmachines.
Er zijn verschillende soorten motoren die vaak worden gebruikt; in deze sectie bekijken we de voordelen en toepassingen van borstelloze gelijkstroommotoren.
Waarom roteren BLDC-motoren?
Zoals de naam al doet vermoeden, gebruiken borstelloze gelijkstroommotoren geen borstels. Bij borstelmotoren brengen borstels via een commutator stroom over naar spoelen op de rotor. Dus, hoe brengt een borstelloze motor stroom over naar de rotorspoelen? Geen, omdat de spoelen zich niet op de rotor bevinden. De rotor is een permanente magneet; de spoelen roteren niet maar zijn bevestigd aan de stator. Omdat de spoelen niet bewegen, zijn borstels en een commutator niet nodig. (Zie figuur 3) Bij borstelmotoren wordt rotatie bereikt door het magnetische veld te regelen dat wordt gegenereerd door de spoelen op de rotor, terwijl het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de stationaire magneet constant blijft. Om de rotatiesnelheid te veranderen, moet de spanning over de spoelen worden gewijzigd. In een BLDC-motor draait de permanente magneet; rotatie wordt bereikt door de richting van het elektromagnetische veld te veranderen dat wordt gegenereerd door de omringende stationaire spoelen. Om de rotatie te controleren, moeten de grootte en richting van de stroom die door deze spoelen vloeit, worden aangepast.
Figuur 3: BLDC-motor.
Omdat de rotor een permanente magneet is, heeft deze geen stroom nodig, waardoor er geen borstels en commutatoren nodig zijn. De stroom naar de stationaire spoelen wordt extern geregeld.
Voordelen van BLDC-motoren
Een BLDC-motor met drie spoelen op de stator heeft zes draden (twee voor elke spoel) die zich vanaf deze spoelen uitstrekken. In de meeste implementaties zullen drie van deze draden intern zijn verbonden, terwijl de overige drie zich uitstrekken vanaf het motorlichaam (in tegenstelling tot de twee draden van de eerder beschreven borstelmotor). Bedrading binnen de behuizing van een BLDC-motor is complexer dan simpelweg het aansluiten van de positieve en negatieve aansluitingen van een voedingseenheid; we zullen de werking van deze motoren in meer detail onderzoeken in deel II van deze serie. Hieronder sluiten we af door de voordelen van BLDC-motoren te begrijpen.
Een belangrijk voordeel is de efficiëntie, omdat deze motoren continu op maximaal koppel kunnen draaien. Borstelmotoren kunnen daarentegen alleen op bepaalde rotatiepunten het maximale koppel bereiken. Om hetzelfde koppel te leveren als een borstelloze motor, hebben borstelmotoren grotere magneten nodig. Daarom kunnen zelfs kleine BLDC-motoren een aanzienlijk vermogen leveren.
Het tweede grote voordeel dat verband houdt met het eerste is de beheersbaarheid. BLDC-motoren kunnen worden bestuurd via feedbackmechanismen, waardoor ze nauwkeurig het vereiste koppel en toerental leveren. Nauwkeurige regeling vermindert op zijn beurt het energieverbruik en de warmteontwikkeling, en verlengt – in gevallen waarin de motor op batterijen werkt – de levensduur van de batterij.
Omdat er geen borstels zijn, bieden BLDC-motoren ook een hoge duurzaamheid en weinig elektrische ruis. Bij borstelmotoren verslijten de borstels en de commutator door voortdurend bewegend contact, waardoor vonken op de contactpunten ontstaan. Vooral elektrische ruis is het gevolg van de sterke vonken die gemakkelijk worden gegenereerd als de borstels door de commutatoropening gaan. Dit is de reden waarom BLDC-motoren over het algemeen als een betere keuze worden beschouwd in toepassingen waarbij elektrische ruis moet worden vermeden.
Ideale toepassingen van BLDC-motoren
We hebben gezien dat BLDC-motoren een hoog rendement en beheersbaarheid bieden, en dat ze een lange levensduur hebben. Dus wat zijn hun toepassingen? Vanwege hun efficiëntie en levensduur worden ze veel gebruikt in continu werkende apparatuur. Ze worden al lang gebruikt in wasmachines, airconditioners en andere consumentenelektronica; meer recentelijk zijn ze ook verschenen in ventilatoren, waar hun hoge efficiëntie het energieverbruik aanzienlijk vermindert.
Ze worden ook gebruikt om vacuümmachines aan te drijven. In één geval resulteerde een verandering in het besturingsprogramma in een dramatische snelheidssprong – een voorbeeld van het hoge niveau van bestuurbaarheid dat deze motoren bieden.
BLDC-motoren worden ook gebruikt om harde schijven aan te drijven; Dankzij hun duurzaamheid kunnen de schijven gedurende langere perioden betrouwbaar werken, terwijl hun energie-efficiëntie het energieverbruik in een steeds belangrijker wordende sector helpt verminderen.
Op weg naar bredere toekomstige toepassingen
We kunnen verwachten dat BLDC-motoren in de toekomst op grote schaal zullen worden gebruikt in een breder scala aan toepassingen. Ze kunnen bijvoorbeeld op grote schaal worden gebruikt om servicerobots aan te drijven: kleine robots die diensten verlenen in sectoren buiten de productie. Je zou kunnen denken dat stappenmotoren beter geschikt zijn voor dit soort toepassingen, omdat pulsen kunnen worden gebruikt voor nauwkeurige positioneringscontrole. BLDC-motoren zijn echter beter geschikt voor het regelen van kracht. Met behulp van stappenmotoren vereist het handhaven van de positie van constructies zoals robotarmen een relatief grote en continue stroom. Bij BLDC-motoren is de benodigde stroom evenredig met de externe kracht, wat resulteert in een energiezuinigere regeling. BLDC-motoren kunnen ook eenvoudige geborstelde gelijkstroommotoren in golfkarretjes en mobiele voertuigen vervangen. Naast een hogere efficiëntie bieden BLDC-motoren een nauwkeurigere regeling, wat op zijn beurt de levensduur van de batterij verder kan verlengen.
BLDC-motoren zijn ook ideaal voor drones. Hun vermogen om nauwkeurige controle te bieden, maakt ze bijzonder geschikt voor drones met meerdere rotors, waardoor nauwkeurige controle over de houding van de drone mogelijk is door de rotatiesnelheid van elke rotor te regelen.
