Geborstelde versus borstelloze gelijkstroommotoren: efficiëntie, selectie en gebruik

Geborstelde gelijkstroommotor versus borstelloze gelijkstroommotor

Het belangrijkste verschil is de manier waarop stroom wordt geschakeld: borstelmotoren gebruiken fysieke borstels en een mechanische commutator, terwijl borstelloze motoren een elektronische controller en positiesensoren gebruiken. Dit ene ontwerpverschil loopt over in bijna elk ander onderscheid tussen de twee motortypen: efficiëntie, levensduur, besturingscomplexiteit en kosten zijn allemaal terug te voeren op de vraag of commutatie mechanisch of elektronisch plaatsvindt.

Geborstelde versus borstelloze motorefficiëntie

Borstelloze motoren zijn doorgaans efficiënter dan borstelmotoren bij een vergelijkbaar uitgangsvermogen, grotendeels omdat ze twee verliesmechanismen elimineren die inherent zijn aan borstelcontact: wrijving tussen de borstel en de commutator, en elektrische boogverliezen die optreden als borstels contact maken en verbreken met commutatorsegmenten. Borstelloze motoren commonly achieve efficiencies in the 85-90% range , terwijl borstelmotoren doorgaans enkele procentpunten lager draaien onder vergelijkbare belastingsomstandigheden.

Deze efficiëntiekloof is het belangrijkst bij toepassingen op batterijen en bij continu gebruik, waarbij elk procentpunt efficiëntie zich rechtstreeks vertaalt in looptijd of verminderde warmteontwikkeling. Bij lichte toepassingen met intermitterend gebruik is het efficiëntieverschil minder groot, wat een van de redenen is waarom borstelmotoren gebruikelijk blijven in goedkope consumentenproducten waar de inschakelduur van nature laag is.

Voor- en nadelen van geborstelde gelijkstroommotoren

Weegt een geborstelde motor versus een borstelloos alternatief komt neer op de vraag of de eenvoud en lage kosten opwegen tegen de kortere levensduur en lagere efficiëntie voor de specifieke toepassing.

• Voordelen: lagere kosten, eenvoudigere besturingselektronica, hoog startkoppel, eenvoudige reparatie ter plaatse
• Nadelen: borstelslijtage beperkt de levensduur, lager rendement, meer warmteontwikkeling, elektrische ruis (EMI) door borstelvonken
• Beste keuze: kostengevoelige toepassingen met lage bedrijfscyclus waarbij periodieke borstelvervanging acceptabel is

Hoe u een geborstelde gelijkstroommotor kiest: selectiegids

Het selecteren van de juiste gelijkstroommotor met borstels begint met dezelfde basisprincipes als elke gelijkstroommotor: definieer het vereiste koppel en toerental bij de belasting en controleer dat vervolgens aan de hand van het nominale vermogen van de motor en de beschikbare voedingsspanning. Omdat geborstelde motors hebben een beperkte levensduur van de borstels, de inschakelduur en de verwachte levensduur wegen extra zwaar in het selectieproces vergeleken met borstelloze alternatieven.

• Bevestig het vereiste koppel en toerental bij de belasting, inclusief marge voor start- en piekomstandigheden
• Zorg ervoor dat de spanning overeenkomt met de beschikbare voeding, zodat aanzienlijke onder- of overspanning wordt vermeden
• Schat de verwachte inschakelduur en levensduur ten opzichte van de nominale levensduur van de borstels van de motor
• Controleer de thermische waarden ten opzichte van continue versus intermitterende bedrijfsomstandigheden
• Houd rekening met blootstelling aan het milieu; stof en vocht versnellen de slijtage van borstels en commutators

Berekening van koppel en snelheid van geborstelde gelijkstroommotor

De berekening van het koppel en de snelheid voor een geborstelde gelijkstroommotor volgt dezelfde principes als elke dimensionering van een gelijkstroommotor: bepaal het belastingskoppel aan de uitgang (kracht × straal voor rotatiebelastingen, of kracht ÷ mechanisch voordeel voor lineaire belastingen), voeg een veiligheidsmarge toe van ongeveer 20-50% voor start- en piekomstandigheden, en bevestig het vereiste toerental aan de uitgaande as nadat rekening is gehouden met eventuele reducties van de versnellingsbak.

Het vermogensvereiste volgt rechtstreeks uit het koppel en de snelheid (vermogen = koppel x hoeksnelheid), en dit cijfer moet worden vergeleken met het continue vermogen van de motor in plaats van met het piek- of blokkeervermogen, aangezien langdurig bedrijf nabij het blokkeerkoppel overmatige hitte genereert in de ankerwikkelingen van een geborstelde motor en versnelt de slijtage van de borstels door het hogere stroomverbruik.

Toepassingen met geborstelde gelijkstroommotoren met hoog koppel

Geborstelde gelijkstroommotoren, met name in serie gewikkelde configuraties, leveren een sterk startkoppel in verhouding tot hun grootte en kosten, waardoor ze een praktische keuze zijn voor toepassingen die een hoog koppel nodig hebben vanuit stilstand in plaats van aanhoudend hoge snelheid. Veel voorkomende toepassingen met borstelmotoren met hoog koppel zijn onder meer startmotoren voor auto's, lieren, aandrijvingen van elektrisch gereedschap en lineaire actuatoren — alle gevallen waarin de korte, intense vraag naar koppel belangrijker is dan de efficiëntie bij continu gebruik.

Geborstelde gelijkstroommotoren voor industriële, robotica- en automatiseringsapparatuur

In industriële en automatiseringsomgevingen zijn geborstelde gelijkstroommotoren doorgaans gereserveerd voor kostengevoelige toepassingen met een lagere cyclus, waarbij de onderhoudslast van periodieke borstelvervanging beheersbaar is: eenvoudige actuatoren, transportbandsecties met laag vermogen en basispositioneringstaken die niet de precisie of levensduur van een borstelloos servosysteem vereisen.

In de robotica verschijnen borstelmotoren nog steeds in goedkopere hobby- en onderwijsplatforms, prototypebouwers en niet-kritische actuatoren waarbij het budget zwaarder weegt dan de behoefte aan precisiecontrole of een langere levensduur. Productierobotica en -apparatuur die naar verwachting continu in veeleisende bedrijfscycli zullen draaien, verschuiven over het algemeen naar borstelloze motoren, waarbij de hogere initiële kosten worden gecompenseerd door minder onderhoud en een betere controleprecisie gedurende de levensduur van de apparatuur.