Elektronische commutatie

Voor toepassingen waarin slijtage moet worden voorkomen, bijvoorbeeld voor medische technologie of in de halfgeleiderproductie, of omdat een lange levensduur absoluut onmisbaar is, zijn er borstelloze motoren beschikbaar. Deze werken met elektronische commutatie. Bij borstelloze motoren kan het elektrische contact niet via glijcontacten verlopen. Daarom vormt de wikkeling een onderdeel van de stator, waarin de permanente magneet draait. Bij deze vorm van commutatie wordt de spanning op de contacten elektronisch geregeld. De stroom in de stator moet hierbij perfect aansluiten op de armatuurpositie. Over het algemeen bepalen sensoren de positie van de rotor. Voor de actuatie van borstelloze motoren wordt daarom een elektronisch commutatiesignaal geproduceerd met behulp van sensoren en een controller. Verschillende processen spelen hierbij een rol, die hieronder worden toegelicht:

Sensorloze commutatie

In hele kleine motoren is niet voldoende ruimte voor Hall-sensoren of encoderschijven. Het sensorsysteem zou groter zijn dan de aandrijving zelf. De oplossing is de zogeheten sensorloze commutatie. Bij borstelloze DC-motoren wordt hiervoor vaak gebruik gemaakt van de tegen-elektromotorische kracht (ook wel back-EMF), die het magnetische veld opwekt in de wikkeling. De meetwaarde van deze kracht wordt dan verwerkt, en zo worden de beide signalen verkregen die nodig zijn voor de motorcommutatie, net als de signalen die informatie geven over het toerental. Dit principe werkt echter pas vanaf een bepaald toerental, omdat het spanningssignaal bij lagere snelheden te zwak is. Bij stilstand is het daadwerkelijk nul en wordt informatie over de rotorpositie onderbroken.

Blokcommutatie

In blokconfiguraties geven digitale Hall-sensoren alleen informatie over welke streng als volgende wordt in- of uitgeschakeld. Dit levert rechthoekige sensorsignalen op. Met drie strengen zijn er zes mogelijke schakelcombinaties. Omdat deze elektronica relatief eenvoudig is, is de slijtage minimaal. Ook ondersteunt deze technologie hoge startkoppels en toerentallen.

Sinuscommutatie

Hall-sensoren kunnen net als encoders worden gebruikt om een sinusoïde stuurspanning of sinusoïde stroom in de wikkeling te genereren. Een bijzonder hoge en constante stroom zou ideaal zijn, omdat zo een hoog koppel kan worden geproduceerd, maar tijdens de omkering van de stroom kan asymmetrie onderbrekingen veroorzaken. Dat zorgt voor schommelingen in het koppel. Omdat de plotselinge verandering in de stroom in verband staat met spanningsinductie (tegen-elektromotorische kracht of back-EMF), kunnen interacties met het magnetisch veld optreden die krachten in de lagers produceren. Dit betekent extra slijtage en onder bepaalde omstandigheden kan de aandrijving hierdoor ook meer geluid produceren. Door een sinusoïde stroom toe te passen, wordt dit ongewenste effect voorkomen. De stroomomkering vindt plaats op het moment dat de stroom sowieso al de nullijn zou passeren. Sinuscommutatie garandeert zo een bijzonder stil bedrijf en minimale schommelingen in het koppel. Voor klokankermotoren zijn deze eigenschappen bijzonder relevant vanwege hun typische lage traagheid. Deze motoren onderscheiden zich met name positief bij lage toerentallen.