Er is een breed scala aan elektrische motoren, geschikt voor veel industriële toepassingen en apparatuur. Ingenieurs en ontwerpers hebben veel keuze bij het selecteren van een motor voor hun toepassing. De onderstaande tabel geeft een overzicht van de meest voorkomende soorten elektrische motoren. De wereldwijde classificatie van elektrische motoren is voornamelijk verdeeld in twee verschillende takken: AC-motor en DC-motoren. Dit artikel richt zich op vier verschillende subgroepen: AC-inductiemotoren, synchrone geborstelde DC-motoren (met commutator), borstelloze DC-motoren en permanentmagneet-sinusvormige AC-motoren (PMSM).
1. AC-inductiemotor
Inductiemotoren worden veel gebruikt als industriële aandrijvingen. De stator van de inductiemotor bestaat uit gewikkelde polen die rechtstreeks op het elektriciteitsnet of via een VFD kunnen worden aangesloten. De wisselstroom door deze polen zal een magnetisch veld opwekken in de luchtspleet en de rotor. Aangezien wisselstroom wordt gebruikt voor dit type motor, bedoelen mensen vaak, wanneer ze verwijzen naar de term "AC-motor," eigenlijk een inductiemotor. Het magnetische veld zal wervelstromen in de rotor opwekken, min of meer op dezelfde manier als een transformator dat doet. Deze geïnduceerde stromen in de rotor zullen een magnetisch veld creëren dat het koppel genereert.
Squirrel cages
De meerderheid van de inductiemotoren heeft elektrisch kortgesloten rotoren, zogenaamde squirrel cages (eekhoornkooien). Dit is de reden voor de andere bijnaam van de inductiemotor: 'squirrel cage motor'. Inductiemotoren maken GEEN gebruik van permanente magneten, alleen koperdraad en gelamineerd staal. De rotorring bestaat meestal uit aluminium staven, maar de afgelopen 10 jaar worden ook koperen staven gebruikt om de efficiëntie te verhogen.
Een- en driefasige modellen
Ze zijn verkrijgbaar in een- en driefasige modellen. De driefasige motoren zijn voornamelijk voor grotere belastingen, terwijl kleinere belastingen vaak worden aangedreven door eenfasige inductiemotoren. Wanneer ze rechtstreeks op het elektriciteitsnet zijn aangesloten, zal de motor versnellen tot een bepaalde vaste snelheid, die iets lager is dan de roterende frequentie van het aangelegde elektrische veld (dit fenomeen wordt slip genoemd). Deze eigenschap is de reden waarom inductiemotoren soms ook asynchrone motoren worden genoemd. De bereikte snelheid hangt af van het aantal poolparen en de toegepaste elektrische frequentie. De belasting op de as zal de snelheid van de motor slechts in geringe mate verlagen (in de orde van enkele procent).
Afbeelding: Squirrel Cage rotor
Bijvoorbeeld: een inductiemotor met 2 poolparen, aangesloten op een 50Hz-net zal proberen 1500 tpm te halen (=elec_freq*60sec/polepairs), maar afhankelijk van de belasting zal dit iets langzamer zijn.
Voor veel toepassingen is deze constante snelheid geschikt. Door moderne elektrische aandrijftechnologie is het nu ook mogelijk om een variabele snelheid te bereiken door een variabele-frequentie drive (VFD) te gebruiken. Omdat de elektrische frequentie kan variëren (zoals eerder genoemd), zal het toerental van de as evenredig variëren. De introductie van de VFD heeft de functionaliteit en energie-efficiëntie van de inductiemotor verbeterd.
Voordelen en nadelen van AC-inductiemotoren
Inductiemotoren hebben over het algemeen een lager totaal rendement en lagere koppeldichtheid in vergelijking met permanente magneetmotoren. Vanwege het ontbreken van permanente magneten is het eenvoudiger en directer om veldverzwakking toe te passen, wat een groot bereik van toerentallen mogelijk maakt voor deze motoren. Inductiemotoren worden veel gebruikt in veel industriële en huishoudelijke toepassingen waar koppeldichtheid en regelbaarheid van minder belang zijn. Ze zijn zelfstartend, betrouwbaar en economisch.
2. Synchrone geborstelde DC-motoren (met commutator)
Zoals de naam al doet vermoeden, worden geborstelde DC-elektromotoren aangedreven met een gelijkstroom (DC). De motoren worden mechanisch gecommuteerd. Geborstelde DC-motoren maken gebruik van permanente magneten of gewikkelde statorpolen. De permanente magneten of gewikkelde statorpolen genereren het belangrijkste stationaire magnetische veld van de moto
Rotor Geborstelde DC-motoren
De rotoren van geborstelde DC-motoren zijn opgebouwd uit gewikkelde polen die via een commutator met borstels op een spanning of stroomtoevoer zijn aangesloten. Wanneer de rotorpolen stroom dragen, wordt een magnetisch veld gegenereerd. Dit rotorveld zal proberen uit te lijnen met het statorveld en daardoor koppel genereren. Het patroon van de stroom in de afzonderlijke spoelen van de rotor wordt bepaald door de commutator en de borstels (afbeelding).
Stator Geborstelde DC-motoren
De statoren van geborstelde DC-motoren zijn opgebouwd met gewikkelde of permanente-magneetpolen. De gewikkelde polen van de stator moeten worden voorzien van een specifieke spanning/stroom. Dit zorgt voor een extra regelfunctie en geeft de motor specifieke koppel/snelheidskenmerken. Typische configuraties zijn series, shunt en compound.
Brushed DC motor. Image credit: ZGC Motor
Commutator Geborstelde DC-motoren
De commutator fungeert als een mechanische schakelaar, omdat deze stroom door afwisselende rotorpolen veroorzaakt in functie van de rotatiepositie van de rotor. Dit resulteert in continu koppel per omwenteling. De borstels glijden voortdurend over de commutator en dit veroorzaakt slijtage. Dit heeft een negatieve invloed op de levensduur en het onderhoudsschema van de geborstelde DC-motor en is een belangrijk nadeel voor dit type motor. Vanwege de introductie van meer geavanceerde elektronica (zoals VFD's) is het mechanisch gecommuteerde rotorveld met borstels omgevormd tot een elektronisch gecommuteerd principe (dwz. borstelloze DC).
Regelbaarheid van geborstelde DC-motoren
In de begindagen, toen elektronica niet veel werd gebruikt, werden dit soort motoren vaak gebruikt voor verschillende toepassingen. Een eenvoudige regelbare gelijkspanningsbron kon de motor aandrijven. Latere opties zoals stroomregeling, terugkoppelingssystemen en PWM-aandrijvingen vergemakkelijkten een nog hogere regelbaarheid van geborstelde DC-motoren. Het gebruik van permanente magneten maakt een relatief hoge koppeldichtheid en goede efficiëntie mogelijk voor dit soort motoren.
Voordelen en nadelen van geborstelde DC-motoren
De prestaties van geborstelde DC-motoren op het gebied van starten en regelen van de snelheid zijn goed. Ze hebben een relatief hoge koppeldichtheid. Het bereik van snelheidsregeling is breed en ze lopen soepel. De elektromagnetische interferentie is klein en de overbelastbaarheid is sterk. Maar de structuur van de geborstelde DC-motoren is een nadeel. Het glijdende contact tussen de commutator en de borstel veroorzaakt vonken en mechanische slijtage. Hierdoor hebben geborstelde DC-motoren een relatief korte levensduur, betrouwbaarheidsproblemen en hoge onderhoudskosten.
3. Brushless DC motors (BLDC)
Zoals de naam al aangeeft, gebruiken borstelloze DC-motoren geen borstels. In vergelijking met geborstelde DC-motoren gebruiken borstelloze DC-motoren een zeer verschillende methode van commutatie. In plaats van borstels wordt de commutatie elektronisch uitgevoerd. De constructie van de meeste borstelloze DC-motoren is gebaseerd op een stator met gewikkelde polen en een multipool permanente magneetrotor. De multipool permanente magneetrotor loopt langs een stator met gewikkelde polen. De permanente magneten van de rotor reageren op het veranderende magnetische veld van de stator. De stator is vast, er zijn geen bewegende draden. Daarom is er geen behoefte aan slipringen, commutatoren of borstels bij de borstelloze DC-motor
Statorpolen - driefasensysteem
Meestal zijn de statorpolen gewikkeld in een driefasenconfiguratie. Het driefasensysteem van de statorwikkelingen is verbonden met een schakeling van elektronische schakelaars (transistor, FET's, enz.). De schakelingschakeling wordt gevoed met een gelijkspanning of door een gelijkgerichte wisselspanningsbron. De eenvoudige schakeling van de fasen veroorzaakt stroom met een vierkante golfvorm/trapeziumvorm, waardoor de terugslag-EMK van de borstelloze DC-motor ook min of meer vierkant van golfvorm/trapeziumvorm is. Dit veroorzaakt een toename van het koppel-ripple bij het aandrijven van deze motoren. Meer snelheid kan worden bereikt door faseverschuiving. Sinds het gebruik van VFD-technologie met de borstelloze motor is het mogelijk geworden om een sinusvormige stroom te genereren.
Sensor
Om de juiste fase op het juiste moment in te schakelen, is een terugkoppelsysteem nodig. Hall-sensoren kunnen worden geplaatst om de positie van de permanente magneetrotor ten opzichte van de stator te detecteren. Hoewel Hall-sensoren het meest worden gebruikt, zijn er ook nauwkeurigere positiesensorsystemen beschikbaar. Met het bovenstaande systeem kan de rotatie van de motor synchroon worden gehouden met de toegepaste elektrische frequentie.
Voordelen en nadelen van borstelloze DC-motoren
Borstelloze DC-motoren hebben veel voordelen in vergelijking met geborstelde DC-motoren, zoals lage onderhoudskosten, minder bedrijfsgeluid, betere prestaties en hogere efficiëntie, lagere elektromagnetische interferentie. Ze zijn verkrijgbaar in compactere afmetingen en bieden een hoog koppel-gewichtsverhouding. Maar in vergelijking met andere motoren hebben borstelloze DC-motoren ook enkele nadelen. De kosten van de motor en de elektronische controller zijn relatief hoger. Koppelrimpeling zoals eerder genoemd. Daarnaast zijn ze iets ingewikkelder.
Image credit: Microchip Technology Inc.
4. Permanente synchrone sinusoïdale (PMSM) AC-motoren
Termen als PMSM AC-motor, borstelloze AC-motor of EC-motor (elektrische commutatie) worden ook vaak gebruikt voor dit type motor. Het werkingsprincipe van deze motor is een statordeel, dat een driefasig gewikkeld spoelsysteem en een rotorconstructie met een multipool permanente magneetarray bevat. Deze motoren met een hoge vermogensdichtheid zijn zeer efficiënt en voldoen aan energie-efficiëntieklassen IE4 en zelfs IE5. Er zijn verschillende constructies van permanente magneet synchrone sinusoïdale AC-motoren, zoals binnenlopers, buitenlopers, axiale fluxmotoren, transversale motoren, enz.
Sinusoïdale stroom
Vanwege het magnetische ontwerp is de achterste EMK sinusvormig, in combinatie met een sinusvormige stroom kan een soepel koppel worden gegenereerd. Een relatief geavanceerde aandrijving zoals een vermogensversterker of een VFD is nodig om de sinusvormige stroom te produceren. Deze soorten aandrijvingen worden steeds meer standaard en eenvoudiger te gebruiken. Een PMSM AC-motor loopt ook synchroon met de toegepaste elektrische frequentie (gedeeld door het aantal poolparen).
IJzerverlies
Het gebruik van sterke permanente magneten veroorzaakt constant ijzerverlies in de lamellenstapel tijdens de rotatie. Deze ijzerverliezen beperken de maximale snelheid van de motor, evenals de hogere spanning die nodig is voor hogere snelheid (meestal beperkt door de aangelegde spanning van 400Vac_rms). Deze parameters moeten in gedachten worden gehouden. Voor alle hierboven genoemde motortypes veroorzaakt de toegepaste stroom dissiperende verliezen in de spoelen. Deze verliezen moeten thermisch worden beheerd in de structuur. Dit vereist ook een goede thermische vormgeving, omdat hoe beter het thermische ontwerp, hoe hoger de koppeldichtheid. Aangezien er meer vermogen kan worden toegepast en gedissipeerd zonder dat de motor oververhit raakt.
Rotor magnets surface mounted vs interior mounted (source)
Hoge koppeldichtheid
Combineer sterke permanente magneten met een uitstekend magnetisch ontwerp en u kunt een PMSM-motor met een zeer hoge koppeldichtheid bereiken. Bijvoorbeeld een 20 kg (44 lb) PMSM AC-motor inclusief behuizing en lager kan een vergelijkbaar vermogen/koppel leveren in vergelijking met een 55 kg (121 lb) AC-inductiemotor. Gebaseerd op standaard/passieve koelmethoden voor beide. PMSM AC-motoren vereisen continue positiefeedback, ofwel door het gebruik van sensoren of vandaag de dag zelfs sensorloze regeling is mogelijk. Om de snelheidsmogelijkheden te verhogen, hebben sommige PMSM AC-motorontwerpen de mogelijkheid van veldverzwakking.
Toenemend gebruik van PMSM AC-motor
De technologie van PMSM AC-motoren in combinatie met motorregelaars die elektronische commutatie mogelijk maken, is al een tijdje beschikbaar. Maar aangezien motorregelaars die PMSM-motoren ondersteunen steeds beter beschikbaar worden, beginnen steeds meer bedrijven permanente magneet AC-motoren in hun toepassingen te integreren. Het gebruik neemt aanzienlijk toe. Dit komt door de mogelijkheid van compact ontwerpen, hoge koppeldichtheid, hoge efficiëntie en een lange levensduur. De PMSM AC-motor biedt bedrijven de mogelijkheid om toepassingen te bouwen die kleiner van formaat zijn, efficiënter werken, meer controleerbaar zijn, met verhoogde betrouwbaarheid en dus lagere (bedrijfs)kosten.
Voordelen en nadelen van PMSM AC-motoren
Hoewel PMSM AC-motoren altijd een aandrijving nodig hebben en iets duurder zijn in vergelijking met een AC-inductiemotor, zijn ze vaak een beter alternatief. Ze hebben een hogere koppeldichtheid, zijn veel efficiënter en aanzienlijk kleiner en lichter dan vergelijkbare inductiemotoren.
Leer meer over verschillende motoren
Er is een grote verscheidenheid aan motoren, geschikt voor vele industriële toepassingen en apparatuur. Er is veel keuze voor ingenieurs en ontwerpers bij het selecteren van een motor voor hun toepassing.
Op de website van Magnetic Innovations leest u meer over direct drive PMSM direct drive PMSM
Neem contact op met ons team
Als u een offerte wilt aanvragen, een vraag heeft over onze producten, of wilt weten wat wij speciaal voor u kunnen doen, neem dan contact met ons op. Wij zullen binnen 24 uur reageren op al uw vragen.
