Invoering
Borstelloze DC-motoren (BLDC) winnen snel aan populariteit in verschillende industriële toepassingen vanwege hun uitzonderlijke efficiëntie, lange levensduur, hoog koppel en lage onderhoudsvereisten. Deze motoren maken gebruik van permanente magneten en elektronisch geregelde commutatie om de fysieke borstels en commutator van traditionele gelijkstroommotoren te elimineren. Dit resulteert in een betrouwbaarder en efficiënter motorontwerp. In dit artikel gaan we dieper in op hoe een BLDC-motor werkt en hoe deze wordt aangedreven.
Basisstructuur van een BLDC-motor
Een BLDC-motor bestaat uit een rotor, een stator en een reeks wikkelingen. De rotor bestaat uit permanente magneten en is in het midden van de motor geplaatst. De stator omringt de rotor en bevat een reeks wikkelingen die in een specifiek patroon worden bekrachtigd om een roterend magnetisch veld te produceren. Wanneer de rotor wordt blootgesteld aan dit magnetische veld, roteert deze om uit te lijnen met de magnetische krachtlijnen.
Hoe een BLDC-motor wordt aangedreven
BLDC-motoren worden aangedreven door een elektronisch circuit dat de timing en polariteit regelt van de stroom die aan de motorwikkelingen wordt geleverd. Dit circuit wordt gewoonlijk een motorcontroller genoemd. De motorcontroller ontvangt input van verschillende bronnen, waaronder sensoren, een encoder of een microprocessor, afhankelijk van de specifieke toepassing.
Sensorgebaseerde bediening
Een veelgebruikte methode om een BLDC-motor te besturen is via sensorgebaseerde besturing. Deze aanpak maakt gebruik van feedback van Hall-effectsensoren die zich in de motor bevinden. Hall-effectsensoren zijn kleine elektronische apparaten die de sterkte en richting van een magnetisch veld kunnen meten. In een typische BLDC-motor zijn er drie Hall-effectsensoren rond de stator aangebracht. Deze sensoren detecteren de oriëntatie van de rotor en geven informatie aan de motorcontroller waarmee deze de wikkelingen correct kan bekrachtigen.
De motorcontroller gebruikt deze feedbackinformatie om te bepalen welke wikkeling moet worden geactiveerd en wanneer deze moet worden geactiveerd. Door de wikkelingen in een specifieke volgorde van energie te voorzien, wordt een roterend magnetisch veld geproduceerd dat in wisselwerking staat met de rotor, waardoor deze gaat roteren. Deze volgorde van bekrachtiging wordt gewoonlijk commutatie genoemd.
Sensorloze bediening
Een andere methode om een BLDC-motor te besturen is sensorloze besturing. Deze aanpak maakt gebruik van een wiskundig model van het gedrag van de motor om de rotorpositie en -snelheid te bepalen zonder dat er Hall-effectsensoren nodig zijn. Sensorloze besturing wordt steeds populairder vanwege de lagere kosten en grotere betrouwbaarheid in vergelijking met sensorgebaseerde besturing.
Sensorloze bediening maakt gebruik van een verscheidenheid aan technieken om de rotorpositie te berekenen, waaronder tegen-EMF-detectie, op waarnemers gebaseerde methoden en op modellen gebaseerde methoden. Bij tegen-EMF-detectie wordt de spanning gemeten die in de wikkelingen wordt geïnduceerd wanneer de rotor draait. Op waarnemers gebaseerde methoden gebruiken een algoritme om de rotorpositie te schatten op basis van het gedrag van de motor. Modelgebaseerde methoden gebruiken een wiskundig model van de motor om de rotorpositie te voorspellen op basis van de ingangsstromen en -spanningen.
Pulsbreedtemodulatie
Ongeacht de gebruikte regelmethode moet de motorcontroller de pulsbreedte van de ingangsspanning naar de motorwikkelingen moduleren. Pulsbreedtemodulatie (PWM) is een methode voor het regelen van de spanning die aan de motor wordt geleverd door de spanning snel aan en uit te zetten met een hoge frequentie.
De duty-cycle van het PWM-signaal bepaalt de gemiddelde spanning die op de motor wordt toegepast. Door de duty-cycle van het PWM-signaal te variëren, kan de motorcontroller de snelheid en het koppel van de motor regelen. De frequentie van het PWM-signaal bedraagt doorgaans enkele kilohertz om hoorbaar geluid van de motor te voorkomen.
Voordelen van BLDC-motoren
BLDC-motoren bieden tal van voordelen ten opzichte van traditionele DC-motoren en AC-inductiemotoren. Enkele van deze voordelen zijn onder meer:
1. Hoog rendement
2. Lange levensduur
3. Hoge koppeldichtheid
4. Lage onderhoudsvereisten
5. Nauwkeurige snelheids- en koppelregeling
6. Stille werking
7. Compact en lichtgewicht ontwerp
Toepassingen van BLDC-motoren
BLDC-motoren worden vanwege hun talrijke voordelen veel gebruikt in verschillende industriële en commerciële toepassingen. Enkele van de meest voorkomende toepassingen van BLDC-motoren zijn:
1. Elektrische voertuigen
2. HVAC-systemen
3. Industriële automatisering
4. Robotica
5. Medische hulpmiddelen
6. Huishoudelijke apparaten
7. Lucht- en ruimtevaart
Conclusie
Samenvattend bieden BLDC-motoren tal van voordelen ten opzichte van traditionele DC-motoren en AC-inductiemotoren. Deze motoren worden aangedreven door een elektronisch circuit dat de timing en polariteit regelt van de stroom die aan de motorwikkelingen wordt geleverd. BLDC-motoren worden doorgaans bestuurd via sensorgebaseerde of sensorloze besturing en maken gebruik van pulsbreedtemodulatie om de aan de motor geleverde spanning te regelen. Deze motoren worden op grote schaal gebruikt in verschillende industriële en commerciële toepassingen, waaronder elektrische voertuigen, HVAC-systemen, industriële automatisering en robotica.