BLDC-motor: de stille kracht achter drones, e-bikes en elektrische auto's
Een BLDC-motor is een elektromotor zonder koolborstels. BLDC staat voor Brushless Direct Current, ofwel: een gelijkstroommotor die draait zonder de contactborsteltjes die in oudere elektromotoren de stroom naar de draaiende delen leiden. In plaats daarvan regelt een klein elektronisch printplaatje precies wanneer welke spoel stroom krijgt, zodat de motor soepel en efficiënt ronddraait.
Denk aan het verschil tussen een ouderwetse speelgoedauto met een motortje dat je hoort zoemen en een beetje vonkt, en de stille, precieze motor in een moderne drone of elektrische fiets. Dat vonkje bij het speelgoedmotortje ontstaat doordat metalen borsteltjes over een draaiend contact schuren; dat slijt, maakt lawaai en kost energie. De BLDC-motor mist die borstels helemaal, waardoor hij stiller loopt, minder onderhoud vraagt en langer meegaat.
Wat is het precies?
Elke elektromotor heeft twee hoofdonderdelen: een deel dat stilstaat (de stator) en een deel dat draait (de rotor). Bij een klassieke, geborstelde gelijkstroommotor zitten de elektromagneten op de draaiende rotor, en moeten koolborstels voortdurend stroom naar die draaiende spoelen leiden. Bij een BLDC-motor is dat omgedraaid: de spoelen zitten vast op de stator, en de rotor bevat permanente magneten die niet van stroom hoeven te worden voorzien.
Omdat er geen bewegend contact meer nodig is, moet er iets anders bepalen wanneer welke spoel aan- of uitgeschakeld wordt. Die taak wordt overgenomen door een elektronische regelaar, vaak een motorcontroller of ESC (Electronic Speed Controller) genoemd. Deze regelaar schakelt razendsnel stroom naar de juiste spoelen, zodat er steeds een magnetisch veld ontstaat dat de rotor net iets vooruit trekt. Dit proces heet elektronische commutatie.
Om te weten wanneer precies geschakeld moet worden, heeft de regelaar informatie nodig over de stand van de rotor. Sommige BLDC-motoren gebruiken daarvoor kleine magneetsensoren, zogeheten hallsensoren. Steeds vaker wordt echter sensorloze besturing gebruikt: de regelaar meet dan de kleine spanning die de draaiende magneten zelf opwekken in de niet-actieve spoelen, en berekent daaruit de positie. Deze slimmere regeltechniek heet field oriented control (FOC) en zorgt voor een nog vloeiendere, efficiëntere aandrijving.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter de ontwikkeling van BLDC-motoren is rendement: hoeveel van de elektrische energie daadwerkelijk wordt omgezet in beweging, in plaats van in warmte of wrijvingsverlies. Doordat er geen borstels wrijven en slijten, gaat er minder energie verloren en is het rendement doorgaans hoger dan bij geborstelde motoren.
Een tweede doel is betrouwbaarheid en levensduur. Koolborstels zijn een slijtageonderdeel dat op den duur vervangen moet worden; een BLDC-motor heeft dat probleem niet en kan daardoor jarenlang vrijwel onderhoudsvrij draaien, mits de elektronica het volhoudt.
Daarnaast is er de wens om motoren compacter, lichter en stiller te maken. Omdat een BLDC-motor efficiënter is, ontstaat er minder warmte, wat weer betekent dat de motor kleiner gebouwd kan worden voor hetzelfde vermogen. Dat is precies waarom deze motoren zo populair zijn geworden in toepassingen waar gewicht en ruimte kritiek zijn, zoals drones en elektrisch aangedreven voertuigen.
Voorbeelden uit de praktijk
Computers gebruiken al sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw op grote schaal BLDC-motoren, zowel in de koelventilatoren als in de spindelmotor die de schijf in een harde schijf laat ronddraaien. Deze toepassing was een van de eerste massamarkten voor de technologie, juist omdat stilte en een lange levensduur zonder onderhoud daar belangrijk zijn.
Dyson introduceerde in 2009 zijn eigen hoogtoerige BLDC-motor, de zogeheten Dyson Digital Motor, in zijn stofzuigers. Deze compacte motor draait veel sneller dan een gangbare huishoudmotor en maakte het mogelijk om krachtige, snoerloze stofzuigers te bouwen die toch relatief licht zijn.
In de dronewereld zijn BLDC-motoren vrijwel de standaard geworden. Fabrikanten als DJI gebruiken al sinds de opkomst van consumentendrones, begin jaren 2010, brushless motoren om de propellers aan te drijven, omdat deze motoren de precieze en snelle toerentalveranderingen kunnen leveren die nodig zijn om een drone stabiel te laten vliegen.
Ook in de elektrische fiets is de technologie doorgedrongen. Aandrijfsystemen zoals Bosch Performance Line, die rond 2010 op de markt kwamen, gebruiken brushless middenmotoren die de trapkracht van de fietser ondersteunen.
In de elektrische auto-industrie wordt een nauw verwante variant gebruikt: de permanent-magneet synchrone motor (PMSM). Tesla stapte bijvoorbeeld met de Model 3, geïntroduceerd in 2017, over van de inductiemotor die in de eerdere Model S werd gebruikt naar een PMSM, mede vanwege het hogere rendement bij lagere snelheden.
Hoe ver is de techniek?
BLDC-technologie is geen opkomende technologie meer, maar een volwassen en breed toegepaste techniek. Het basisprincipe bestaat al sinds het begin van de jaren zestig, maar werd pas commercieel praktisch vanaf de jaren tachtig, toen goedkope halfgeleiderschakelingen zoals transistoren en later MOSFET's het mogelijk maakten om de elektronische commutatie betaalbaar te regelen.
De laatste decennia is de techniek vooral verder verfijnd in plaats van fundamenteel veranderd. Belangrijke ontwikkelingen zijn krachtigere en goedkopere permanente magneten op basis van zeldzame aardmetalen zoals neodymium, en steeds slimmere regelalgoritmes zoals sensorloze field oriented control, waardoor extra sensoren overbodig worden.
Een reëel aandachtspunt is de afhankelijkheid van zeldzame aardmetalen voor de sterke permanente magneten, waarvan de winning en verwerking grotendeels geconcentreerd is in China. Dit maakt de toeleveringsketen kwetsbaar voor geopolitieke spanningen, en er wordt daarom ook onderzoek gedaan naar BLDC-varianten met minder of geen zeldzame aardmetalen. Verder blijft de elektronische regelaar een kwetsbaar onderdeel: waar een geborstelde motor relatief eenvoudig en robuust is, staat of valt een BLDC-motor met goed werkende, betrouwbare elektronica.
Wie werken eraan?
Op het gebied van kleine en middelgrote BLDC-motoren is Nidec Corporation uit Japan een van de grootste spelers ter wereld, met toepassingen variërend van computerventilatoren tot motoren voor elektrische auto's. Ook Bosch, met zijn brede activiteiten in zowel gereedschap als e-bike-aandrijvingen, is een belangrijke Europese partij.
Voor precisietoepassingen in robotica, ruimtevaart en medische apparatuur staat het Zwitserse Maxon Motor bekend als gespecialiseerde fabrikant van hoogwaardige BLDC-motoren. In de halfgeleiderindustrie leveren bedrijven als Texas Instruments, Infineon en STMicroelectronics de chips waarmee de elektronische commutatie en sensorloze besturing worden gerealiseerd.
In de auto-industrie ontwikkelen vrijwel alle fabrikanten van elektrische voertuigen, waaronder Tesla en de grote Aziatische en Europese automakers, hun eigen varianten van permanent-magneet synchrone motoren, vaak in samenwerking met gespecialiseerde toeleveranciers. Onderzoek naar verbeterde regelalgoritmes en magneetmaterialen zonder zeldzame aardmetalen vindt plaats bij technische universiteiten en onderzoeksinstituten wereldwijd, met een sterke aanwezigheid van instituten in Japan, Duitsland en de Verenigde Staten.