Wat is een borstelloze motor? Hoe het werkt, diagrammen en DC-typen uitgelegd

Wat is een borstelloze motor?

Een borstelloze motor is een elektromotor die rotatiekracht genereert via elektronisch gecommuteerde magnetische velden, waardoor de fysieke koolborstels en mechanische commutatorring die in conventionele borstelmotoren worden gebruikt, worden geëlimineerd. In plaats van te vertrouwen op glijdende elektrische contacten om de stroomrichting door de rotorwikkelingen te veranderen, gebruikt een borstelloze motor een speciale elektronische controller - de ESC (elektronische snelheidsregelaar) of BLDC-driver - om de stroom door stationaire statorwikkelingen nauwkeurig te timen met de rotorpositie. De rotor zelf is voorzien van permanente magneten en heeft helemaal geen elektrische aansluitingen.

Deze architectuurverschuiving heeft drie directe gevolgen. Ten eerste is er geen borstelwrijving of vonkvorming – de dominante bron van warmte, slijtage en efficiëntieverlies bij geborstelde ontwerpen. Ten tweede bevinden de warmtegenererende wikkelingen zich op de stator, die in direct contact staat met het motorhuis en passief of actief kan worden gekoeld; bij een borstelmotor bouwt de warmte zich op in de draaiende rotor, waar deze moeilijk kan worden afgevoerd. Ten derde kan de commutatietiming in software worden geoptimaliseerd voor elke bedrijfsomstandigheden, waardoor de motor met maximale efficiëntie kan werken over een breed toerental- en belastingsbereik. Borstelloze motoren behalen doorgaans een efficiëntie van 85-95% , vergeleken met 75-80% voor gelijkwaardige geborstelde ontwerpen.

De term "borstelloze motor" verwijst meestal naar de borstelloze gelijkstroommotor (BLDC), die wordt aangedreven door gelijkspanning en elektronische commutatie gebruikt om het roterende magnetische veld van een wisselstroommotor te benaderen. Borstelloze AC-motoren - inclusief synchrone motoren met permanente magneet (PMSM) - werken volgens hetzelfde fysieke principe, maar worden aangedreven door sinusoïdale AC-golfvormen in plaats van trapeziumvormige DC-schakeling. In het dagelijks gebruik worden "borstelloze motor" en "BLDC-motor" door elkaar gebruikt in consumentenelektronica, elektrisch gereedschap, drones, elektrische voertuigen en industriële automatisering.

Diagram van een Borstelloze gelijkstroommotor : Interne structuur

Om een borstelloos DC-motordiagram te begrijpen, moeten vijf functionele elementen worden geïdentificeerd: de stator, de rotor, de permanente magneten, de Hall-effectsensoren en de externe controller. In tegenstelling tot een borstelmotordiagram – waarin de borstels tegen een gesegmenteerde commutatorring op de draaiende as worden gedrukt – toont een BLDC-diagram alle elektrische complexiteit op het stationaire buitenlichaam, met een eenvoudig magneetsamenstel dat binnen of buiten het lichaam draait.

Stator (stationaire wikkelingen)

De stator is de vaste buitenstructuur van een binnenloper BLDC-motor (of de binnenring in een buitenloper). Het bestaat uit gelamineerde kernen van siliciumstaal – gestempeld in een ster- of opvallende poolgeometrie – omwikkeld met koperen spoelen die in drie fasen zijn gerangschikt: Fase A, Fase B en Fase C. Deze drie fasen zijn verbonden in een sterconfiguratie (Y), waarbij alle drie de wikkelingen een gemeenschappelijk neutraal punt delen, of in een deltaconfiguratie (Δ), waarbij de wikkelingen in een driehoek met elkaar verbonden zijn. Sterbedrading komt vaker voor in BLDC-motoren omdat het een hoger koppel produceert bij een laag toerental en het controllerontwerp vereenvoudigt; deltabedrading heeft de voorkeur wanneer maximale hogesnelheidsstroom de prioriteit heeft.

Het aantal statorsleuven en rotorpolen bepaalt het fundamentele karakter van de motor. Een configuratie met 12 sleuven en 14 polen (gebruikelijk bij dronemotoren) produceert een soepel koppel met lage cogging. Een ontwerp met 9 sleuven en 12 polen is populair bij elektrisch gereedschap vanwege de balans tussen koppeldichtheid en eenvoud van productie. Het aantal sleuven en polen bepaalt ook de frequentie van de elektrische cyclus: een 14-polige motor voltooit 7 elektrische cycli per mechanische omwenteling, wat betekent dat de controller de stroom 7x sneller per asomwenteling moet schakelen dan een 2-polige motor met hetzelfde toerental.

Rotor (permanente magneten)

Bij een inrunner BLDC-motor – de standaardconfiguratie bij elektrisch gereedschap, harde schijven en de meeste industriële motoren – bevindt de rotor zich in de statorboring. Het bestaat uit een stalen as met permanente magneten gemonteerd op of ingebed in het oppervlak. Opbouwmagneetrotoren (SPM) zijn eenvoudiger te vervaardigen en dominant in goedkopere ontwerpen; Interne permanente magneetrotoren (IPM) integreren magneten in de rotorlamellen, waardoor een hoger weerstandskoppel en een betere fluxverzwakking mogelijk zijn voor grotere snelheidsbereiken. Tractiemotoren voor elektrische voertuigen maken bijna universeel gebruik van IPM-rotorontwerpen.

Outrunner BLDC-motoren keren deze geometrie om: het permanente magneetsamenstel draait rond de buitenkant van een vaste stator. Dit geeft outrunners een grotere momentarm voor het genereren van koppel en maakt ze van nature geschikt voor toepassingen met directe aandrijving: drone-propellers en elektrische fietsnaafmotoren monteren de last rechtstreeks op de draaiende buitenschaal, waardoor versnellingsbakken overbodig worden. Outrunners produceren hoger koppel bij een lager toerental dan vergelijkbare inrunners, terwijl inrunners sneller draaien en beter geschikt zijn voor toepassingen met hoge snelheid.

Hall-effectsensoren

De meeste BLDC-motoren zijn voorzien van drie Hall-effectsensoren die in de stator zijn gemonteerd met intervallen van 120 ° (of 60 ° in sommige configuraties). Elke sensor detecteert het magnetische veld van de passerende rotormagneten en geeft een binair signaal af – hoog of laag – afhankelijk van of er een noord- of zuidpool aangrenzend is. De drie sensoren produceren samen een 3-bits positiecode (bijvoorbeeld 101, 001, 011, 010, 110, 100) die per elektrische cyclus door zes unieke toestanden loopt, waardoor de controller voldoende positieresolutie heeft om te bepalen welke statorfase op welk moment dan ook moet worden geactiveerd. Dit is de kern van de commutatielogica van de borstelloze motor: Hall-sensoruitgang → controller decodeert rotorpositie → schakelt het juiste fasepaar .

Sensorloze BLDC-motoren laten de Hall-sensoren geheel achterwege en detecteren in plaats daarvan de rotorpositie door de tegen-EMF (elektromotorische kracht) te monitoren die wordt gegenereerd in de niet-bekrachtigde fasewikkeling terwijl de rotormagneten voorbij razen. Sensorloze ontwerpen zijn eenvoudiger, compacter en goedkoper – dominant in drones, pc-koelventilatoren en apparaten – maar vereisen dat de rotor al draait voordat tegen-EMF detecteerbaar is. Dit is de reden waarom sensorloze motoren een opstartsequentie (geforceerde commutatie met open lus) nodig hebben voordat ze overschakelen naar back-EMF-tracking met gesloten lus, en waarom ze kunnen aarzelen of niet betrouwbaar kunnen starten onder zware belasting.

Hoe werken borstelloze motoren: de commutatiereeks

Het werkingsprincipe van een borstelloze motor is elektromagnetische aantrekking en afstoting tussen de schakelbare elektromagneten van de stator en de vaste permanente magneten van de rotor. De controller creëert continu een roterend magnetisch veld in de stator door wikkelingen in een specifieke volgorde te bekrachtigen; de permanente magneten van de rotor achtervolgen dit roterende veld en zetten het magnetische koppel om in mechanische asrotatie.

In een driefasige BLDC-motor met trapeziumvormige commutatie – de standaardbenadering voor motoren met Hall-sensor – worden op elk moment slechts twee van de drie fasen bekrachtigd. De zesstapscommutatiesequentie van de controller werkt als volgt:

1. Stap 1: Fase A positief, Fase B negatief, Fase C uit. Het resulterende magnetische veld trekt de dichtstbijzijnde rotormagneet naar het AB-statorpoolpaar.
2. Stap 2: Fase A positief, Fase C negatief, Fase B uit. Het veld draait elektrisch 60°; de rotor volgt.
3. Stap 3: Fase B positief, Fase C negatief, Fase A uit. Veld draait nog eens 60°.
4. Stap 4: Fase B positief, Fase A negatief, Fase C uit. De rotatie gaat door.
5. Stap 5: Fase C positief, Fase A negatief, Fase B uit.
6. Stap 6: Fase C positief, Fase B negatief, Fase A uit. Eén volledige elektrische cyclus voltooid; reeks herhaalt.

Elke stap houdt het bekrachtigde veld iets vóór de huidige positie van de rotor – zoals een wortel voortdurend voor de rotor. De rotor haalt hem nooit in, want zodra hij de huidige veldpositie nadert, gaat de controller door naar de volgende stap. De snelheid wordt geregeld door de spanning op de wikkelingen te variëren , meestal via PWM (pulsbreedtemodulatie) op de high-side schakelaars van de driefasige inverterbrug van de controller. Het koppel wordt bepaald door de grootte van de fasestroom. De relatie tussen deze twee variabelen – en hun real-time optimalisatie – is wat een standaard BLDC-driver onderscheidt van een geavanceerd veldgeoriënteerd controlesysteem (FOC).

Veldgeoriënteerde controle versus trapeziumvormige commutatie

Trapeziumvormige commutatie schakelt abrupt tussen de zes stappen, waardoor een koppelrimpel ontstaat – een periodieke variatie in het uitgangskoppel – op zes keer de elektrische frequentie. Bij lage snelheden zorgt deze rimpel voor hoorbaar geluid en trillingen; bij hoge snelheden wordt het verwaarloosbaar. Veldgeoriënteerde besturing (FOC), ook wel sinusoïdale commutatie of vectorbesturing genoemd, past continu variërende sinusoïdale stromen tegelijkertijd toe op alle drie de fasen, waardoor een perfect vloeiend roterend magnetisch veld ontstaat. Het resultaat is koppelrimpel van bijna nul, stillere werking en 5–15% hoger rendement bij deelladingen. FOC vereist meer rekenkracht (een DSP- of ARM Cortex-microcontroller die op tientallen MHz draait) en nauwkeurige stroommeting op alle drie de fasen. Daarom is het standaard in premium elektrisch gereedschap, elektrische voertuigen en industriële servoaandrijvingen, maar minder gebruikelijk in kostengevoelige consumentenproducten.

Borstelloze motor versus borstelmotor: prestatieverschillen die er toe doen

Het diagram van de borstelloze elektromotor versus het diagram van de borstelmotor onthult de belangrijkste wisselwerking: borstelmotoren zijn mechanisch zelfcommuterend (eenvoudigere aandrijfelektronica, lagere systeemkosten), terwijl borstelloze motoren de complexiteit naar de controller verplaatsen en in ruil daarvoor substantiële prestatievoordelen behalen.

Borstelvonken kunnen vooral gevolgen hebben in toepassingen waarbij EMI (elektromagnetische interferentie) een probleem is: medische apparatuur, precisiemeetapparatuur en RF-systemen. De commutator van een geborstelde motor genereert breedband elektrische ruis over het frequentiespectrum die kan worden gekoppeld aan nabijgelegen gevoelige circuits. Borstelloze motoren produceren daarentegen alleen schakelgeluid op de PWM-frequentie en de harmonischen ervan - een beheersbare, voorspelbare interferentiebron die kan worden gefilterd met standaard EMI-onderdrukkingscomponenten.

Belangrijkste specificaties op een gegevensblad van een borstelloze gelijkstroommotor

Het selecteren van een borstelloze DC-motor voor een toepassing vereist het interpreteren van verschillende onderling afhankelijke specificaties die niet voorkomen op de datasheets van geborstelde motoren. Als u deze cijfers begrijpt, voorkomt u verkeerde toepassingen, met name de onderschatting van de controllervereisten, wat de meest voorkomende specificatiefout is bij het ontwerpen van borstelloze motorsystemen.

• KV-waarde (RPM/V) — Het nullasttoerental dat de motor produceert per volt toegepaste gelijkstroom, zonder dat er conversie van eenheden nodig is. Een motor van 1000KV op 12V draait onbelast met ongeveer 12.000 tpm. Hogere KV = sneller, lager koppel; lagere KV = langzamer, hoger koppel. De voortstuwingsmotoren van drones variëren doorgaans van 300KV (grote, langzame rekwisieten) tot 2.500KV (kleine, snelle rekwisieten).
• Continu- en piekstroom (A) — Continue stroom is de aanhoudende belasting die de motor aankan zonder oververhitting; piekstroom is het tijdelijke maximum tijdens acceleratie of stalling. De stroomsterkte van de controller moet hoger zijn dan de piekstroom van de motor — een te kleine ESC veroorzaakt FET-storing tijdens harde acceleratie.
• Faseweerstand (mΩ) — Wikkelingsweerstand tussen twee faseklemmen. Een lagere weerstand betekent minder koperverlies (I²R-verwarming) bij een bepaalde stroom, maar betekent ook een hogere blokkeerstroom die de controller kan beschadigen als deze niet stroombeperkt is.
• Koppelconstante (Nm/A) — Uitgangskoppel geproduceerd per ampère fasestroom, direct gerelateerd aan KV door de omgekeerde relatie Kt = 60/(2π × KV). Dit getal bepaalt hoeveel stroom de toepassing nodig heeft bij de maximale koppelvraag.
• Aantal polen — Vereist door de controller om de juiste commutatiefrequentie te berekenen. Een 14-polige motor bij 3.000 tpm vereist dat de controller 7 x 3.000/60 = 350 elektrische cycli per seconde uitvoert - minimaal 2.100 schakelgebeurtenissen per seconde in trapeziumvormige commutatie.
• Sensorisch versus sensorloos — Of de motor Hall-effectsensoren bevat. Sensormotoren vereisen een controller met Hall-sensoringangen; sensorloze motoren hebben een controller met tegen-EMF-detectie nodig. Het combineren hiervan – het laten draaien van een sensormotor op een sensorloze controller – resulteert in onbetrouwbaar starten en mogelijke demagnetisatie.

Waar borstelloze motoren worden gebruikt: toepassingen per sector

Borstelloze motoren hebben de afgelopen twintig jaar de borstelontwerpen verdrongen in vrijwel elke prestatiekritische toepassing, gedreven door dalende controllerkosten en de vraag naar langere onderhoudsintervallen en een hogere vermogensdichtheid.

Consumentenelektronica en apparaten

Spilmotoren voor harde schijven behoorden tot de eerste borstelloze toepassingen op de massamarkt - de nauwkeurige snelheidsregeling en de lange levensduur van HDD-spindels maakten geborstelde motoren vanaf het begin onpraktisch. Tegenwoordig gebruiken pc-koelventilatoren, trommelmotoren van wasmachines, robotstofzuigers en draadloos elektrisch gereedschap allemaal standaard BLDC-motoren. Een premium accuboormachine met borstelloze motor levert dat 25-50% meer looptijd per oplaadbeurt versus een geborsteld equivalent van dezelfde spanning, omdat de hogere efficiëntie meer batterij-energie omzet in nuttig werk in plaats van in warmte.

Drones en RC-toepassingen

Multirotor-drones zijn voor het genereren van stuwkracht volledig afhankelijk van BLDC-motoren van de outrunner – doorgaans driefasig, sensorloos en met directe aandrijving. De combinatie van een hoge vermogen-gewichtsverhouding, nauwkeurige elektronische snelheidsregeling en de afwezigheid van onderhoudsvereiste borstels maakt BLDC de enige levensvatbare voortstuwingstechnologie voor consumenten- en commerciële UAV's. Een typische 5-inch FPV-race-dronemotor (framegrootte 2306, 2400KV) weegt minder dan 35 g en produceert meer dan 1 kg stuwkracht bij piekstroom - een vermogensdichtheid die geborstelde motoren niet kunnen benaderen.

Elektrische voertuigen

EV-tractiemotoren zijn voornamelijk BLDC- (of PMSM-) ontwerpen met interne permanente magneten, bestuurd door FOC-omvormers die putten uit het hoogspanningsbatterijpakket. Tesla's achterste motor in de Model 3 is een geschakelde reluctantie-ontwerp, maar de voorste motor is een PMSM - gekozen vanwege zijn efficiëntie over het volledige snelheidsbereik van snelwegrijden. De BMW i3 en de meeste Hyundai/Kia EV-modellen gebruiken IPM BLDC-motoren. Het piekvermogen varieert van 150 kW in compacte EV's tot meer dan 500 kW in prestatietoepassingen, allemaal beheerd door driefasige omvormers van autokwaliteit met schakelprecisie op microsecondeniveau.

Industriële automatisering en robotica

Servomotoren in CNC-bewerkingsmachines, robotarmen en transportsystemen zijn vrijwel uitsluitend borstelloos: de combinatie van FOC-besturing, encoders met hoge resolutie en terugkoppeling met gesloten lus levert positioneringsnauwkeurigheid tot op microns en snelheidsregeling tot op 0,01% bij belastingsveranderingen. In omgevingen met explosieve gassen of fijn stof (korrelverwerking, chemische fabrieken, mijnbouw) elimineren borstelloze motoren met afgedichte behuizingen het ontstekingsrisico van borstelvonken, waardoor ze in aanmerking komen voor ATEX- en IECEx-certificeringen voor gevaarlijke locaties waaraan borstelmotoren niet kunnen voldoen.