Wanneer ingenieurs worden geconfronteerd met de uitdaging om elektrische apparatuur te ontwerpen om mechanische taken uit te voeren, kunnen ze nadenken over hoe elektrische signalen worden omgezet in energie. Actuatoren en motoren behoren dus tot de apparaten die elektrische signalen in beweging omzetten. Motoren wisselen elektrische energie uit in mechanische energie.

Het eenvoudigste type motor is de geborstelde gelijkstroommotor. Bij dit type motor wordt elektrische stroom door spoelen geleid die in een vast magnetisch veld zijn opgesteld. De stroom genereert magnetische velden in de spoelen; dit zorgt ervoor dat het spoelsamenstel gaat roteren, terwijl elke spoel van de gelijksoortige pool wordt weggeduwd en naar de ongelijksoortige pool van het vaste veld wordt getrokken. Om de rotatie in stand te houden, is het noodzakelijk om de stroom voortdurend om te keren, zodat de polariteiten van de spoelen voortdurend omdraaien, waardoor de spoelen de ongelijksoortige vaste polen blijven ‘achtervolgen’. De spoelen worden van stroom voorzien via vaste geleidende borstels die contact maken met een roterende commutator; het is de rotatie van de commutator die de omkering van de stroom door de spoelen veroorzaakt. De commutator en borstels zijn de belangrijkste componenten die de geborstelde gelijkstroommotor onderscheiden van andere motortypen. Figuur 1 illustreert het algemene principe van de borstelmotor.

Figuur 1: Werking van de geborstelde gelijkstroommotor.

Vaste borstels leveren elektrische energie aan de roterende commutator. Terwijl de commutator roteert, draait hij voortdurend de richting van de stroom naar de spoelen, waarbij de polariteiten van de spoelen worden omgedraaid, zodat de spoelen naar rechts blijven draaien. De commutator roteert omdat deze is bevestigd aan de rotor waarop de spoelen zijn gemonteerd.

Zoals hun naam al aangeeft, gebruiken borstelloze gelijkstroommotoren geen borstels. Bij borstelmotoren leveren de borstels stroom via de commutator aan de spoelen op de rotor. Dus hoe geeft een borstelloze motor stroom door aan de rotorspoelen? Dat is niet het geval, omdat de spoelen zich niet op de rotor bevinden. In plaats daarvan is de rotor een permanente magneet; de spoelen roteren niet, maar zijn in plaats daarvan op de stator bevestigd. Omdat de spoelen niet bewegen, zijn er geen borstels en een commutator nodig. (Zie figuur 3.)

Bij de borstelmotor wordt rotatie bereikt door de magnetische velden te regelen die worden gegenereerd door de spoelen op de rotor, terwijl het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de stationaire magneten vast blijft. Om de rotatiesnelheid te veranderen, verander je de spanning voor de spoelen. Bij een BLDC-motor is het de permanente magneet die roteert; rotatie wordt bereikt door de richting van de magnetische velden te veranderen die worden gegenereerd door de omringende stationaire spoelen. Om de rotatie te regelen, pas je de grootte en richting van de stroom in deze spoelen aan.

Omdat de rotor een permanente magneet is, heeft deze geen stroom nodig, waardoor er geen borstels en commutator nodig zijn. De stroom naar de vaste spoelen wordt van buitenaf geregeld.

Een BLDC-motor met drie spoelen op de stator heeft zes elektrische draden (twee naar elke spoel) die zich vanaf deze spoelen uitstrekken. In de meeste implementaties zullen drie van deze draden intern worden verbonden, waarbij de drie overige draden zich uitstrekken vanaf het motorlichaam (in tegenstelling tot de twee draden die zich uitstrekken vanaf de eerder beschreven borstelmotor). De bedrading in de BLDC-motorbehuizing is ingewikkelder dan alleen het aansluiten van de positieve en negatieve aansluitingen van de krachtcel; we zullen nader bekijken hoe deze motoren werken in de tweede sessie van deze serie. Hieronder sluiten we af door te kijken naar de voordelen van BLDC-motoren.

Een groot voordeel is de efficiëntie, omdat deze motoren continu kunnen regelen op maximale rotatiekracht (koppel). Borstelmotoren bereiken daarentegen slechts op bepaalde punten in de rotatie het maximale koppel. Om een ​​borstelmotor hetzelfde koppel te laten leveren als een borstelloos model, zou hij grotere magneten moeten gebruiken. Daarom kunnen zelfs kleine BLDC-motoren een aanzienlijk vermogen leveren.

Het tweede grote voordeel – gerelateerd aan het eerste – is de beheersbaarheid. BLDC-motoren kunnen worden aangestuurd met behulp van feedbackmechanismen, om precies het gewenste koppel en de gewenste rotatiesnelheid te leveren. Precisiecontrole vermindert op zijn beurt het energieverbruik en de warmteontwikkeling, en verlengt, in gevallen waarin motoren op batterijen werken, de levensduur van de batterij.

BLDC-motoren bieden ook een hoge duurzaamheid en een lage elektrische geluidsproductie, dankzij het ontbreken van borstels. Bij borstelmotoren verslijten de borstels en de commutator als gevolg van voortdurend bewegend contact, en produceren ze ook vonken waar contact wordt gemaakt. Vooral elektrische ruis is het resultaat van de sterke vonken die de neiging hebben te ontstaan ​​op de plaatsen waar de borstels over de gaten in de commutator gaan. Dit is de reden waarom BLDC-motoren vaak de voorkeur verdienen in toepassingen waarbij het belangrijk is om elektrische ruis te vermijden.

We hebben gezien dat BLDC-motoren een hoog rendement en beheersbaarheid bieden, en dat ze een lange levensduur hebben. Dus waar zijn ze goed voor? Vanwege hun efficiëntie en lange levensduur worden ze veel gebruikt in apparaten die continu draaien. Ze worden al lang gebruikt in wasmachines, airconditioners en andere consumentenelektronica; en meer recentelijk verschijnen ze in ventilatoren, waar hun hoge efficiëntie heeft bijgedragen aan een aanzienlijke vermindering van het energieverbruik.

Ze worden ook gebruikt om vacuümmachines aan te drijven. In één geval resulteerde een verandering in het besturingsprogramma in een grote sprong in de rotatiesnelheid – een voorbeeld van de overtreffende trap van bestuurbaarheid die deze motoren bieden.

BLDC-motoren worden ook gebruikt om harde schijven te laten draaien, waarbij hun duurzaamheid ervoor zorgt dat de schijven op de lange termijn betrouwbaar blijven werken, terwijl hun energie-efficiëntie bijdraagt ​​aan energiereductie in een gebied waar dit steeds belangrijker wordt.

We kunnen verwachten dat BLDC-motoren in de toekomst in een breder scala aan toepassingen zullen worden gebruikt. Ze zullen bijvoorbeeld waarschijnlijk op grote schaal worden gebruikt om servicerobots aan te drijven: kleine robots die diensten leveren op andere gebieden dan de productie. Je zou kunnen denken dat stappenmotoren geschikter zouden zijn voor dit soort toepassingen, waarbij pulsen kunnen worden gebruikt om de positionering nauwkeurig te regelen. Maar BLDC-motoren zijn beter geschikt om de kracht te beheersen. En met een stappenmotor zou het vasthouden van de positie van een structuur zoals een robotarm een ​​relatief grote en continue stroom vereisen. Met een BLDC-motor is het enige dat nodig is een stroom die evenredig is aan de externe kracht, waardoor een energiezuinigere regeling mogelijk is. BLDC-motoren kunnen ook eenvoudige geborstelde gelijkstroommotoren in golfkarretjes en mobiliteitskarren vervangen. Naast hun betere efficiëntie kunnen BLDC-motoren ook een nauwkeurigere regeling bieden, 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 leveren, maakt ze bijzonder geschikt voor drones met meerdere rotors, waarbij de houding van de drone wordt gecontroleerd door de rotatiesnelheid van elke rotor nauwkeurig te regelen.

In deze sessie hebben we gezien hoe BLDC-motoren uitstekende efficiëntie, beheersbaarheid en lange levensduur bieden. Maar zorgvuldige en juiste controle is essentieel om het potentieel van deze motoren ten volle te benutten. In onze volgende sessie zullen we bekijken hoe deze motoren werken.