Waarom servo en/of borstelloos niet altijd (!) een goed idee is.

Bij Rotero leveren wij voornamelijk kleine motoren en aandrijvingen. Het onderstaande moet ook in dat licht worden gezien. Bij grotere aandrijvingen gelden de aangehaalde waarden niet omdat men daar (o.a. vanwege de uiteindelijke prijs van het product) heel anders ontwerpt.

Wanneer oude machines moeten worden gemoderniseerd dan komt met enige regelmaat de vraag of we een alternatief voor de oude DC of AC motoren kunnen bieden. Uiteraard wel een motor zonder koolborstels vanwege de levensduur. En, oh ja, het moet dan wel wat nauwkeuriger kunnen en sneller reageren. Want de output van machine moet wel iets omhoog. Zo’n borstelloze motor heeft immers een veel hoger rendement. 

De verbazing is dan meestal heel groot wanneer een servomotor of BLDC motor wordt geadviseerd die 2 tot 3 keer groter is dan de huidige motor. Om de verbazing over de kosten maar niet te noemen! 

Wanneer bovenstaande situatie zich voor doet dan zit de oorzaak meestal in de massatraagheid van het onderdeel dat wordt aangedreven. Een motor zonder regeling en terugkoppeling is over het algemeen zeer goed in staat om grote massa’s aan te drijven zonder dat de gebruiker veel merkt van snelheidsvariaties die optreden of een wat hoger oplopende temperatuur van de motor. Zeker bij DC motoren wordt nog wel eens aangehaald dat ‘de motor veel te zwaar is, want hij wordt nauwelijks warm’. 

Borstelloze DC motor

Een borstelloze motor is meestal uitgerust met hall sensoren voor de bewaking van de stand van de rotor en daarmee de draaisnelheid. Bij servomotoren wordt een hoekencoder op de motor-as gemonteerd om de beweging nog nauwkeuriger te kunnen monitoren. Er bestaan ook systemen die een mengvorm van deze twee zijn. Om de motor te kunnen laten draaien is een stukje elektronica noodzakelijk. Dit is nodig om de spoelen in de stator op het juiste moment te bekrachtigen zodat de ronddraaiende permanent magneten die in de rotor zitten in beweging blijven. De stand van de rotor wordt dus gedurende de beweging continu bewaakt. En daar beginnen de moeilijkheden…

In principe werkt het als volgt: Zodra de belasting enigszins verandert dan zal de snelheid van de rotor ook veranderen en dus voor- of achterlopen bij de bekrachtiging van de spoelen. Wordt de afwijking van de rotorpositie te groot dan zal de motor niet meer goed kunnen draaien. Om dit te voorkomen grijpt de elektronica onmiddellijk in en zal proberen de rotor te remmen of te versnellen. De afwijking moet echter wel hersteld zijn voordat de volgende magneetpool langskomt en daardoor is er weinig tijd om de correctie te laten plaatsvinden. De spoelen zullen dus zeer sterk bekrachtigd moeten worden. Helaas zit er een maximum aan de kracht die geleverd kan worden voor deze actie. Bij een gegeven massatraagheid is er dus ook een maximum aan de versnelling of vertraging die de motor kan realiseren. Anders gezegd: bij een gegeven motor is er een maximum aan de massatraagheid die een borstelloze motor kan ‘hanteren’.

DC motor met borstels

Een DC motor met borstels zal in dit geval enige tijd onder of boven de gewenste (of ingestelde) snelheid draaien en na enige tijd zal de afwijking zijn opgeheven. Dit soort motoren zal namelijk altijd naar het toerental gaan dat hoort bij de aangelegde spanning. Bij verandering in belasting verandert het toerental enigszins en zal de motor meer of minder koppel leveren om uiteindelijk weer terecht te komen op het juiste toerental. Zie ook het artikel ‘Hoe lees ik de karakteristiek van een DC motor?’. Dit meer of minder leveren van koppel kan in de praktijk vele omwentelingen van de motor duren. Het gevolg is meestal slechts een geringe verandering in motortemperatuur. 

Het eerder aangehaalde punt van de langere levensduur van een borstelloze motor (t.o.v. een motor met borstels) is zeker waar. De levensduur van een borstelloze motor is zeker langer dan die van een motor met borstels. Deze levensduur is (mits juist gebruikt) volledig afhankelijk van de levensduur van de gebruikte kogellagers. De levensduur van kogellagers wordt bepaald door de achteruitgang van het vet dat is gebruikt. En dat wordt weer sterk beïnvloed door de temperatuur. Algemeen genomen zal de levensduur van de lagers in een borstelloze motor ca 30.000h zijn. De levensduur varieert met de temperatuur ongeveer volgens volgende grafiek.

Zoals u in de grafiek kunt zien is een geringe temperatuurstijging van 15 graden al verantwoordelijk voor een halvering van de levensduur. Omgekeerd geldt dit ook. Dus koelen heeft zeker zin! 

Wanneer echter een tandwielkast moet worden toegepast dan zal veelal de levensduur van de tandwielkast bepalend gaan worden. Over het algemeen wordt voor tandwielkasten een levensduur opgegeven van 5.000 of 10.000h. Wanneer het tandriempje dat op de motor-as zit een beetje (te) strak wordt gespannen dan blijft van deze levensduur nog maar een deel over. 

Uitgaande van een levensduur van de koolborstels van een DC motor van 3.000 – 5.000h (wat door kwalitatief goede motoren ongeveer wordt gehaald) kun je je dus afvragen wat de zin is van een borstelloze motor. Zeker gezien het feit dat heel veel toepassingen er vele jaren over doen om 3.000 bedrijfsuren te halen. 

Ter illustratie van het bovenstaande betoog over de dimensionering i.v.m. massatraagheid het volgende voorbeeld:  
Voor de toevoer van potten lijm naar een werkstation waar de potten worden voorzien van een deksel wordt een kleine transportband gebruikt. Als aandrijving van deze transportband wordt tot op heden een vrij standaard DC borstelmotor gebruikt.

• Diameter van de omlooprollen is 50mm
• Benodigde snelheid is 1 m/sec (dus toerental =  ca 382 rpm)
• Start/stop bedrijf
• Belasting wanneer de band vol staat met potten is 10 Kg

Na enig rekenwerk komen we dan uit op de volgende ‘kengetallen voor de toepassing’:

• Massatraagheid op de motor-as (of op de as van de tandwielkast) = 90 Kgcm2
• Benodigd koppel voor starten in 0,2 sec = 2,3 Nm
• Benodigd koppel voor draaien is 1,4 Nm 

Bij dit soort eisen zou een ca 60W – 3.000 rpm DC motor met een tandwielkast met ratio 1:7 of ratio 1:8 al kunnen voldoen (gegevens Kählig motor M63x60). 

Bij de keuze voor een borstelloze motor (BLDC) zien we in de catalogus van Oriental Motor (BLH serie) dat zo’n motor maar een massatraagheid van ca 22 Kgcm2 kan hanteren. We moeten dan uitwijken naar een 200W motor met tandwielkast uit de BLV serie. Deze combinatie is wel ca. 3 x groter dan de motor met borstels. 

Uiteraard is er wel een kleinere BLDC motor op de markt te vinden die deze transportband wel goed kan aandrijven, maar het punt blijft dat het niet zomaar mogelijk is om een borstelmotor te vervangen door een borstelloze. Vaak vereist dit ook allerlei aanpassingen aan de installatie.

Tekst: Gerrit Minnée 
Illustraties: Oriental Motor