Wat is het verschil tussen een geborsteld versus borstelloze motor
Figuur 1: Verschil tussen een geborsteld vs borstelloze motor
Geborsteld vs Borstelloze motoren, wat zijn de verschillen
Geborsteld en borstelloze gelijkstroommotoren zijn twee verschillende soorten elektromotoren. In eenvoudige termen, het verschil is dat geborsteld motoren hebben elektrische contactborstels, die de motor te draaien veroorzaken. Aan de andere kant, borstelloze motoren vertrouwen op elektronica in plaats van borstels om de motor te draaien. Een andere manier om te beschrijven is dat borstelloze motoren magneten in het midden hebben, terwijl de geborsteld motoren aan de buitenkant vaste magneten hebben.
Figuur 1 toont het visuele verschil tussen de twee, maar de werking van elk is ook volledig verschillend. Het belangrijkste verschil tussen hen is het type communicatie dat ze gebruiken:
-
Berekeningsmethode:
- Geborsteld motoren gebruiken mechanische borstels en een commutator om de huidige richting in de wikkelingen, die op zijn beurt genereert een magnetisch veld om koppel te produceren en draaien de motor.
- Borstelloze motoren, aan de andere kant, gebruik maken van elektronische controle en magnetische sensoren (bijv., Hall-effect sensoren) om de huidige richting in de wikkelingen zonder mechanische contact. Deze elektronische besturing is vaak in de vorm van een externe bestuurder of een geïntegreerde elektronische snelheidsregelaar (ESC).
-
Efficiëntie:
- Borstelloze motoren zijn over het algemeen efficiënter dan geborsteld motoren omdat ze geen wrijving en energieverliezen hebben die gepaard gaan met penselen en commutators. Dit leidt tot betere prestaties, langere runtimes en een lager energieverbruik.
-
Onderhoud en levensduur:
- Geborsteld motoren vereisen meer onderhoud als gevolg van de slijtage van borstels en commutators, die uiteindelijk kan leiden tot een daling van de prestaties en motorstoring. Penseelvervangingen zijn periodiek nodig om optimale prestaties te kunnen behouden.
- Borstelloze motoren hebben minder bewegende delen en geen mechanische contacten, wat resulteert in een langere levensduur en verminderde onderhoudsverplichtingen.
-
Geluid en trillingen:
- Borstelloze motoren produceren meestal minder lawaai en trillingen in vergelijking met geborsteld motoren omdat ze geen borstels of commutators hebben die mechanische ruis kunnen veroorzaken.
-
Kosten en complexiteit:
- Borstelloze motoren zijn over het algemeen duurder en complex als gevolg van de eis van elektronische controlesystemen voor de berekening. Hun voordelen in termen van efficiëntie, levensduur en onderhoud wegen echter vaak op tegen het aanvankelijke kostenverschil.
Borstelloze motordiagram
In de rotor van een borstelloze motor zijn permanente magneten aanwezig, terwijl de stator de wikkelingen huisvest. Deze opstelling is het tegenovergestelde van de stator en rotor locaties in een geborstelde DC motor. Geborstelde DC motoren initiëren rotatie wanneer stroom wordt geleverd aan de wikkelingen via de commutator en borstels. Terwijl de motor draait, worden de volgende commutator- en borstelparen aangestuurd, waardoor de stroomstroom in verschillende wikkelingen wordt geleid en de rotatie wordt gehandhaafd. Borstelloze motoren bereiken commutatie zonder gebruik te maken van borstels of commutatoren. In plaats daarvan maken ze gebruik van magnetische poolsensoren (zoals Hall-elementen of Hall-effect IC's) om de magnetische poolposities van de permanente magneten te identificeren. Bovendien zijn drivers nodig om de stroomstroom door de wikkelingen te leiden volgens de gedetecteerde magnetische polposities.Brushless Motor Principes
Om de rotatieprincipes van borstelloze motoren te beschrijven, laten we een vereenvoudigd 2-polig driefasenmodel overwegen zoals afgebeeld in Figuur 2.
De rotormagneten bestaan uit zowel noord- als zuidpool, elk met een magnetische poolhoek van 180°. Magnetische poolsensoren Ha, Hb en Hc zijn 120° uit elkaar geplaatst en detecteren de noordpool van de rotormagneten en produceren vervolgens een signaal.
Wat de stator betreft, worden de fase-U-spoel, fase-V-spoel en fase-W-spoel ook 120° uit elkaar geplaatst en zijn met 60° offset ten opzichte van de magnetische poolsensoren.
Wanneer stroom stroomt van het aandrijfcircuit naar de motor voor elke fase wikkeling van de stator, wordt een zuidpool gecreëerd aan de binnenste diameter zijde van de stator. Omgekeerd, wanneer de stroom in de tegenovergestelde richting stroomt, wordt een noordpool gegenereerd aan de binnenste diameterzijde van de stator. Figuur 3 illustreert de toestand waarin stroom stroomt van fase-U naar fase-V.
Figuur 3: Vereenvoudigd principe van de borstelloze motor
Besturingsmethode van een borstelloze motor
Een borstelloze motor wordt aangestuurd door een elektronische controller die het vermogen regelt dat aan de motor wordt geleverd. De volgende stappen zijn de basisstappen voor het aansturen van een borstelloze DC-motor:- Hall Effect Sensoren: borstelloze motoren gebruiken Hall Effect sensoren om de positie van de rotor te bepalen en feedback te geven aan de controller.
- Elektronische Commutatie: De elektronische controller gebruikt de informatie van de Hall Effect sensoren om de juiste volgorde van stroom te bepalen die aan de statorwikkelingen moet worden geleverd.
- Power MOSFETs of IGBTs: De controller gebruikt vermogensMOSFETs of IGBTs om de stroom die aan de statorwikkelingen wordt geleverd, te schakelen.
- PWM-signalen: De controller gebruikt PWM-signalen (Pulse Width Modulation) om de snelheid en het koppel van de motor te regelen door de duty cycli van de PWM-signalen aan te passen.
- Invoersignalen: De controller ontvangt ingangssignalen van een regelbron, zoals een microcontroller, om de gewenste snelheid en richting van de motor in te stellen.
De precieze methode voor het aansturen van een borstelloze motor is afhankelijk van de specifieke motor en controller die wordt gebruikt, maar deze stappen geven een algemeen overzicht van het proces.
Hoe controleer je de snelheid van een borstelloos motor
De snelheid van een borstelloze gelijkstroommotor wordt geregeld door de frequentie van het elektrische vermogen dat aan de motor wordt geleverd aan te passen. Het volgende zijn de basisstappen voor het regelen van het toerental van een borstelloze motor:
- Elektronische regelaar: Een elektronische regelaar wordt gebruikt om de voeding die aan de motor wordt geleverd te regelen.
- PWM-signalen: De controller gebruikt PWM-signalen (Pulse Width Modulation) om de frequentie van de voeding die aan de motor wordt geleverd aan te passen. Door de duty cyclus van de PWM signalen te veranderen, kan de gemiddelde spanning die op de motor wordt toegepast, worden gevarieerd, wat op zijn beurt de snelheid beïnvloedt.
- Invoersignalen: De controller ontvangt ingangssignalen van een regelbron, zoals een microcontroller, om de gewenste snelheid van de motor in te stellen.
- Feedback: In sommige gevallen kan een feedbackmechanisme zoals een toerenteller of encoder worden gebruikt om de snelheid van de motor te monitoren en feedback te geven aan de controller, die dan de PWM-signalen kan aanpassen om een constante snelheid te handhaven.
Het regelen van de snelheid van een borstelloze gelijkstroommotor is het aanpassen van de frequentie van het aan de motor geleverde elektrisch vermogen met behulp van PWM-signalen en elektronische besturing.
Welk type controller heeft u nodig voor een borstelloze motor
Een borstelloze DC-motor vereist een elektronische regelaar, vaak aangeduid als een elektronische snelheidsregelaar (ESC), om de aan de motor geleverde stroom te regelen. Het ESC is verantwoordelijk voor de volgende taken:
- Monitoring van de positie van de rotor: Borstelloze motoren gebruiken Hall Effect sensoren om de positie van de rotor te bepalen en feedback te geven aan de controller.
- Commutatie: De controller gebruikt de informatie van de Hall Effect sensoren om de juiste volgorde van stroom te bepalen aan de stator windingen.
- Schakelen: De controller gebruikt Power MOSFETs of IGBT's om de stroom over te schakelen naar de stator windingen.
- Snelheidscontrole: De controller gebruikt Pulse Width Modulatie (PWM)-signalen om het toerental en het koppel van de motor te regelen door de dienstcyclus van de PWM-signalen aan te passen.
- Invoersignalen: De controller ontvangt invoersignalen van een besturingsbron, zoals een microcontroller, om de gewenste snelheid en richting van de motor vast te stellen.
Geborsteld motordiagram
Figuur 6: geborsteld motorstructuur
Een geborsteld motor is een type van DC elektrische motor die bestaat uit verschillende belangrijke onderdelen die samenwerken om elektrische energie om te zetten in mechanische energie. De belangrijkste onderdelen van een geborsteld motor zijn de rotor, stator, commutator en borstels zoals getoond in Fig 6. Hier is een beschrijving van elke component en hoe ze bijdragen aan de structuur van de motor:
- Rotor (Armatuur): De rotor, ook bekend als de armatuur, is het draaiende deel van de geborsteld motor. Het bestaat uit gewikkeld spoelen van draad rond een ijzeren kern, die een elektromagneet creëert wanneer de stroom er doorheen gaat. Het magnetische veld van de rotor werkt met het magnetische veld van de stator, het genereren van koppel en het veroorzaken van de rotor om te draaien, het besturen van de motoras.
- Stator: De stator is het stationaire deel van de geborsteld motor. Het herbergt permanente magneten, meestal gemonteerd op het binnenoppervlak, het leveren van een vast magnetisch veld. Het magnetische veld van de stator werkt met het magnetisch veld van de rotor, waardoor het benodigde koppel voor rotatie wordt gecreëerd.
- Commutator: De commutator is een cruciaal onderdeel van een geborsteld motor, die verantwoordelijk is voor het omschakelen van de huidige richting in de rotorwikkelingen. Het is een gesegmenteerde metalen cilinder bevestigd aan de rotor, waarbij elk segment is aangesloten op een einde van de rotorwikkelingen. Terwijl de rotor draait, roteert de commutator mee, waardoor hij contact maakt met de borstels.
- Borstels: Brushes zijn vaste, geleidende onderdelen die elektrisch contact onderhouden met de roterende commutator. Ze zijn meestal gemaakt van koolstof of grafiet, zorgen voor een lage wrijving en slijtage. De borstels zorgen voor de elektrische verbinding tussen de krachtbron en de rotorwindingen door de commutator. Terwijl de commutator draait, glijden de borstels over het oppervlak, achtereenvolgens energieke verschillende rotorwikkelingen, die op zijn beurt het magnetische veld van de rotor veroorzaken om te wisselen en rotatie te behouden.
Een geborsteld motor bestaat uit een rotor met wond spoelen, een stator met permanente magneten, een commutator, en borstels. De interactie tussen de magnetische velden van de rotor en de stator genereert koppel, terwijl de commutator en penselen samenwerken om de stroom in de rotorwikkelingen te veranderen, waarbij continue rotatie wordt gegarandeerd.
Principes achter een geborsteld motor
Gelijkstroommotoren maken gebruik van gecoiled draadwindingen om een magnetisch veld te genereren. In een geborsteld motor, deze windingen zijn bevestigd aan de rotor, die vrij is om te draaien en rijdt een as. Vaak, de spoelen zijn verpakt rond een ijzeren kern, hoewel sommige geborsteld motoren zijn "onzorgvuldig" met zelfondersteunde windingen. Het stationaire gedeelte van de motor, bekend als de "stator", gebruikt permanente magneten voor het tot stand brengen van een vast magnetisch veld. Deze magneten bevinden zich meestal op het binnenoppervlak van de stator, rondom de rotor. Figuur 7 toont meer details.
Om koppel te maken en de rotor te laten draaien, moet het magnetische veld van de rotor continu draaien, interageren met het vaste veld van de stator door aantrekking en afstoting. Een schuifbare elektrische schakelaar vergemakkelijkt dit draaiend veld. Deze schakelaar bestaat uit een commutator, meestal een gesegmenteerd contact gemonteerd op de rotor, en vaste borstels gemonteerd op de stator.
Figuur 7:Principes achter een geborsteld motor
Hoe u de snelheid van een geborsteld motor
De snelheid van een geborsteld gelijkstroommotor kan worden geregeld door de spanning op de aansluitpunten aan te passen. De volgende basisstappen voor het regelen van de snelheid van een geborsteld gelijkstroommotor zijn:
- Voeding: Een gelijkstroomvoorziening is aangesloten op de motorterminals om de elektrische energie te leveren die nodig is om de motor te draaien.
- Snelheidscontrole: Om de snelheid van de motor te regelen, kan de op de motor toegepaste spanning worden aangepast met behulp van een weerstand of een pulsbreedte modulatie (PWM) signaal in Fig 8. Hoe lager de spanning op de motor, hoe langzamer het zal draaien. We hebben een apart artikel geschreven over Snelheidsregelaars hier
- Invoersignalen: De op de motor toegepaste spanning kan worden bediend door inputsignalen van een besturingsbron, zoals een microcontroller, om de gewenste snelheid in te stellen.
- Feedback Control: In sommige gevallen kan een feedbackmechanisme zoals een toerenteller of encoder worden gebruikt om de snelheid van de motor te monitoren en feedback te geven aan een controller, die dan de spanning kan aanpassen om een constante snelheid te handhaven.
De snelheid van een geborsteld besturen Gelijkstroommotor gepaard gaat met het aanpassen van de op de aansluitpunten aangebrachte spanning, hetzij rechtstreeks, hetzij door gebruik te maken van een feedbackmechanisme om de snelheid te regelen.
Figuur 8: Controle van de snelheid van een geborsteld motor
Samenvattend vereist een borstelloze gelijkstroommotor een elektronische snelheidsregelaar (ESC) om de aan de motor geleverde stroom te regelen en de snelheid en het koppel te controleren.
Hoe maak je een borstelloze motor aan een schakelaar
Een typische manier om een geborsteld motor te bedienen is om een Rocker schakelaar te gebruiken.Aan de onderkant van de schakelaar ziet u 6 aansluitingen, zoals hieronder te zien is, die samen met het schema van de DPDT-schakelaar boven zullen komen.Als de schakelaar op de voorwaartse stand wordt gedrukt, worden de bovenste en middelste stekkers in de switch aangesloten; als de schakelaar op de achterstand wordt gedrukt, worden de onderste en middelste stekkers aangesloten; en als de schakelaar in de middelste stand staat, is de schakelaar open.
Hieronder is een bedradingsschema met 2 geborsteld motoren aangesloten op een schakelaar
Een bedradingsdiagram van de achterkant van een rocker schakelaar wordt hieronder getoond
Wat duurder is, een geborsteld of borstelloze motor
In het algemeen zijn de borstelloze gelijkstroommotoren duurder dan gelijkstroommotoren. Het kostenverschil kan worden toegeschreven aan de complexiteit van het borstelloze motorsysteem, waarvoor aanvullende onderdelen nodig zijn, zoals een elektronische controller (ESC) en Hall-effectsensoren. De ESC en de sensoren toevoegen aan de kosten van het systeem, net als de meer geavanceerde productieproces vereist voor borstelloze motoren.
Echter, ondanks hun hogere upfront kosten, borstelloze motoren bieden vaak verschillende voordelen op geborsteld motoren, waaronder een hogere efficiëntie, langere levensduur, en betere prestaties, met name in high-speed en high-torque toepassingen. Als gevolg daarvan kunnen de hogere kosten van borstelloze motoren vaak worden gecompenseerd door de lagere bedrijfskosten en de verbeterde betrouwbaarheid.
Concluderend, de kosten van geborstelde en borstelloze motoren variëren afhankelijk van de specifieke toepassing en vereisten. Borstelloze motoren zijn over het algemeen veel duurder vooraf, maar ze kunnen een langere levensduur en een groter rendement bieden. Geborstelde motoren zijn ideaal voor de meeste dagelijkse toepassingen, en voor mensen met weinig tot geen elektrische ervaring. U kunt borstelloze motoren vinden die worden gebruikt voor elektrische auto's en andere systemen waar een zeer lange levensduur vereist is (vele decennia), maar buiten dit, zult u merken dat geborstelde motoren 95% van de motormarkt uitmaken.
Bekijk hier onze lineaire actuatoren