Von Lauren Nagel
Bürstenlose Motoren scheinen überall zu sein – in Haushaltsgeräten, Fahrzeugen, Werkzeugen und vielem mehr. Aber was ist ein bürstenloser Motor und was unterscheidet ihn von einem Motor mit Bürsten?
Ein bürstenloser Motor ist dasselbe wie ein BLDC-Motor. BLDC steht für bürstenloser Gleichstrommotor.
In diesem Artikel werden wir alle grundlegenden Fragen zu diesem vielseitigen Motortyp beantworten.
Inhaltsverzeichnis
- Was ist ein bürstenloser Motor?
- Geschichte bürstenloser Motoren
- Mechanismus bürstenloser Motoren
- Diagramm eines bürstenlosen Motors
- GIF eines bürstenlosen Motors
- Motor mit Bürsten vs. bürstenloser Motor
- Vorteile bürstenloser Motoren
- Anwendungen bürstenloser Gleichstrommotoren
- Bürstenlose Motoren für Drohnen
Was ist ein bürstenloser Motor?
Ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) ist ein Elektromotor, der seine Rotation durch Abstoßungs- und Anziehungskräfte zwischen Permanentmagneten und Elektromagneten erzeugt. BLDC steht für „bürstenloser Gleichstrom“, was grob beschreibt, wie der Motor funktioniert.
Die Rotation des Motors wird von einer Steuerung gesteuert, die zeitlich abgestimmte Stromstöße an die Elektromagnete im Motor liefert, welche wiederum seine Geschwindigkeit regeln.
In Abbildung 1 können Sie die Permanentmagnete auf dem Rotor in Rot und Blau sowie die elektromagnetischen Spulen auf dem Stator in Kupfer sehen.
Abbildung 1: Diagramm eines bürstenlosen Gleichstrommotors
Bürstenlose Motoren sind im Vergleich zu Alternativen für ihren hohen Wirkungsgrad und ihre lange Lebensdauer bekannt. Es gibt mehrere gängige Arten, diesen Motortyp zu beschreiben, darunter bürstenlose Motoren, bürstenlose Gleichstrommotoren und BLDC-Motoren.
Geschichte bürstenloser Motoren
Bürstenlose Gleichstrommotoren wurden 1962 von T.G. Wilson und P.H. Trickey erfunden und in ihrer AIEE-Publikation mit dem Titel „D-c machine with solid state commutation“ vorgestellt.
In dieser Arbeit skizzieren sie die Probleme, die sie lösen wollten, und die Lösungen, die sie dafür fanden. In ihrem Abschnitt über grundlegende Überlegungen erläutern sie die Konstruktionsherausforderungen, die sie bewältigen mussten, um einen funktionsfähigen bürstenlosen Motor zu bauen:
„Da die erforderliche Umschaltung der Läuferleiter mit statischen Elementen erfolgen soll, ist es wünschenswert, dass die Umschaltelemente selbst nicht rotieren. Dies kann erreicht werden, indem die Läuferwicklung auf das stationäre Bauteil gelegt und die Feldpole rotieren gelassen werden. Die Verwendung eines Permanentmagneten für das Feldelement macht es überflüssig, den Rotor entweder über Bürsten oder durch Transformatorwirkung mit Strom zu versorgen [...] die von der Läuferstrom erzeugte Achse des Magnetfeldes muss ebenfalls rotieren, und zwar mit genau derselben Geschwindigkeit wie der Rotor. Zu diesem Zweck müssen Informationen über die Winkelposition der Rotorpole kontinuierlich an den Stator übertragen werden, damit genau die richtige Umschaltung der Läuferleiter erfolgen kann.“
In ihrem abschließenden Absatz skizzieren sie einige der Möglichkeiten, wie ihre Erfindung ihrer Meinung nach gegenüber Motoren mit Bürsten im Vorteil sein würde. Die von ihnen vorgeschlagenen Verbesserungen haben sich als unglaublich präzise erwiesen:
„Es sollte praktisch die Funkstörungen im herkömmlichen Sinne sowie den Verschleiß und die Wartung beseitigen, die heute bei Bürsten und Kommutatoren auftreten. Die Maschine sollte eine extrem hohe Zuverlässigkeit sowie eine lange Lebensdauer aufweisen.“
Der wichtigste Gegenpart zu bürstenlosen Motoren, der Motor mit Bürsten, wurde über 100 Jahre früher, im Jahr 1856, erfunden. Obwohl seitdem weitere Fortschritte erzielt wurden, war diese große technologische Neuerung längst überfällig.
Mechanismus bürstenloser Motoren
Ein bürstenloser Motor ist für seine Funktion auf zwei Hauptteile angewiesen: 1) Der Rotor, der Permanentmagnete hält, 2) Der Stator, der Kupferspulen hält, die zu Elektromagneten werden, wenn Strom hindurchgeleitet wird.
Bürstenlose Motoren können Inrunner sein, bei denen sich der Stator außen und der Rotor im Inneren befindet, oder Outrunner, bei denen der Rotor außerhalb des Stators rotiert.
Für eine detailliertere Erklärung des Mechanismus bürstenloser Motoren sehen Sie sich unseren Artikel an: Wie bürstenlose Motoren funktionieren.
Abbildung 2: Ein Inrunner-Motor (links) und ein Outrunner-Motor (rechts)
Wenn Strom zu einer Spule des Stators geleitet wird, wird sie zu einem Elektromagneten und entwickelt einen Nord- und einen Südpol. Wenn die Polarität des Elektromagneten mit der des Permanentmagneten übereinstimmt, dem er gegenüberliegt, stoßen sich ihre gleichartigen Pole ab und der Rotor dreht sich.
Würde der Strom diese Konfiguration beibehalten, würde der Rotor kurz drehen und dann anhalten, sobald sich gegenüberliegende Elektromagnete und Permanentmagnete ausrichten. Aus diesem Grund wird der Strom als dreiphasiges Signal geliefert, das die Polarität der Elektromagnete ständig ändert, sodass der Rotor weiterdreht.
Der Motor dreht sich mit einer Geschwindigkeit, die der Frequenz des dreiphasigen Signals entspricht. Wenn Sie den Motor also schneller drehen lassen wollen, erhöhen Sie die Frequenz des Signals. Bei einem ferngesteuerten Fahrzeug wird die Geschwindigkeit erhöht, indem der Gashebel erhöht wird, was der Steuerung mitteilt, die Schaltfrequenz zu erhöhen.
Um zu wissen, wie und wann die Spulen mit Strom versorgt werden sollen, verwendet der Motor Hall-Effekt-Sensoren, um die relative Position des Rotors und des Stators zu bestimmen. Auf diese Weise werden die Elektromagnete im Stator in der richtigen Reihenfolge zum richtigen Zeitpunkt aktiviert, und der Motor bewegt sich weiter.
Diagramm eines bürstenlosen Motors
Der Mechanismus bürstenloser Motoren lässt sich am einfachsten mit einem Diagramm / GIF veranschaulichen, das Sie unten sehen können.
Abbildung 3: GIF eines bürstenlosen Motors
Bürstenlose Motoren können Inrunner oder Outrunner sein. Der oben im Diagramm gezeigte ist ein Outrunner, weil sich sein Rotor mit den Permanentmagneten außerhalb des Stators befindet. Jeder Permanentmagnet wird auch als „Pol“ bezeichnet, und die Polanzahl des Motors kann seine Leistung beeinflussen.
Die Permanentmagnete werden von den Elektromagneten abgestoßen, wenn sie sich ausrichten, und drücken den Rotor in einer Kreisbewegung voran, während der Stator in diesem Fall gegen den Uhrzeigersinn stillsteht (Abbildung 3).
Die Motorsteuerung rechts, auch als elektronische Drehzahlregelung (ESC) bezeichnet, ist auf der einen Seite mit der Stromquelle oder Batterie und auf der anderen mit dem Motor verbunden. Sie kann direkt mit dem Gashebel-Eingabegerät oder ferngesteuert, beispielsweise über ein Funksignal, verbunden werden. Die ESC nimmt die Frequenz des Gashebel-Signals von der Steuerung entgegen und sagt dem Motor, wie schnell er drehen soll, indem sie ihre Schaltfrequenz anpasst.
Weiterführende Literatur: Wie man die Drehzahl eines Elektromotors steuert
Motor mit Bürsten vs. bürstenloser Motor
Motoren mit Bürsten sind eine weitere Art von Elektromotor, die auf das Konzept des Magnetismus angewiesen ist, um ihre Rotation anzutreiben.
Die Hauptunterschiede zwischen Motoren mit Bürsten und bürstenlosen Motoren sind ihr Mechanismus, ihr Wirkungsgrad und ihre Lebensdauer. Die Unterschiede sind in dieser Tabelle zusammengefasst und werden unten weiter ausgeführt.
|
Motor mit Bürsten |
Bürstenloser Motor |
|
|
Kommutierung |
Mechanisch |
Elektrisch |
|
Wirkungsgrad* |
Niedriger (typ. 75-80%) |
Höher (typ. 85-92%+) |
|
Wärme |
Höher (20-25% der Eingangsleistung) |
Niedriger (8-15% der Eingangsleistung) |
|
Anschaffungskosten |
Niedriger |
Höher |
|
Wartungsaufwand |
Höher |
Niedriger |
|
Steuerung der Motordrehzahl |
Einfach |
Komplexer |
|
Lebensdauer |
Niedriger |
Höher |
|
Elektrisches Rauschen |
Höher |
Niedriger |
|
Zündsicherheit |
Gut |
Sehr gut |
|
Steuerung bei niedrigen Drehzahlen |
Gut |
Gut |
|
Höchstgeschwindigkeit |
~20.000 U/min |
>100.000 U/min |
|
Drehmoment-Gewichts-Verhältnis |
Niedriger |
Höher |
* Jeder Motor, der außerhalb seines effizienten Drehmoment- und Drehzahlbereichs betrieben wird, weist einen niedrigen Wirkungsgrad (<50%) und eine hohe Wärmeentwicklung auf.
Kommutierung: Bei einem Motor mit Bürsten wird der Strom über den physischen Kontakt der Bürsten vom Kommutator zu den Motorwicklungen übertragen. Bei einem bürstenlosen Motor wird der Strom über Halbleiterschalter durch das Ein- und Ausschalten der Statorspulen elektrisch gesteuert.
Wirkungsgrad: Bürstenlose Motoren liefern ein höheres Drehmoment pro Watt aufgenommener Leistung als Motoren mit Bürsten und sind damit effizienter.
Anschaffungskosten: Bürstenlose Motoren sind aufgrund der höheren Komplexität ihrer Steuerungen im Allgemeinen teurer als Motoren mit Bürsten gleicher Größe.
Wartungsaufwand: Motoren mit Bürsten neigen dazu, an der Stelle, an der der Kommutator auf die Bürsten trifft, schnell Verschleiß zu zeigen, weshalb die Komponenten häufiger ausgetauscht werden müssen. Bürstenlose Motoren haben keine Komponenten, die in demselben Maße verschleißen, sodass Wartung / Austausch seltener erforderlich sind.
Komplexität der Motordrehzahlregelung: Bei einem Motor mit Bürsten wird die Motordrehzahl einfach durch die angelegte Spannung geregelt. Bei einem bürstenlosen Motor verwendet die Motorsteuerung ein dreiphasiges Signal zur Regelung der Drehzahl, weshalb die Signallieferung komplexer ist.
Lebensdauer: Bürstenlose Motoren haben eine längere Lebensdauer als Motoren mit Bürsten, da sie nicht demselben Verschleiß und der gleichen Erosion zwischen den Komponenten ausgesetzt sind. Dennoch können Motoren mit Bürsten manchmal generalüberholt werden, um ihre Lebensdauer zu verlängern.
Elektrisches Rauschen: Neben dem von den Motoren erzeugten akustischen Rauschen können sie auch elektrisches Rauschen erzeugen, das andere Komponenten des Systems stören kann. Motoren mit Bürsten neigen dazu, mehr elektrisches Rauschen zu erzeugen als bürstenlose Motoren, was elektromagnetische Störungen in lokalen Schaltungen verursachen kann. Ohne ordnungsgemäße Isolierung kann diese Störung zu Fehlfunktionen der Schaltung und zu Leistungseinbußen führen.
Zündsicherheit: Bürstenlose Motoren neigen weitaus weniger dazu, Funken zu erzeugen, die brennbare Materialien entzünden könnten.
Steuerung bei niedrigen Drehzahlen: Motoren mit Bürsten verfügen über ein einfaches Steuerungssystem, das bei niedrigen Drehzahlen gut funktioniert. In Kombination mit Winkelgebern und Steuerungselektronik können bürstenlose Motoren ebenfalls bei sehr niedrigen Drehzahlen rotieren. Dies ist ideal für Anwendungen wie Hoverboards oder Hochleistungs-Servomotoren. ODrives bietet eine Open-Source-Steuerung für solche Anwendungen.
Höchstgeschwindigkeit: Aufgrund der für die Konstruktion von Motoren mit Bürsten typischen Reibung sind sie für den Einsatz bei hohen Drehzahlen nicht geeignet. Die Bürsten im Motor neigen dazu, sich bei zunehmender Geschwindigkeit zu erhitzen, was zu erhöhtem Verschleiß und hohen Temperaturen führt. Bürstenlose Motoren hingegen haben dieses Problem aufgrund des Fehlens von Bürsten nicht und können daher bei sehr hohen Drehzahlen betrieben werden.
Drehmoment-Gewichts-Verhältnis: Während Motoren mit Bürsten ein erhebliches Drehmoment erzeugen können, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, sind bürstenlose Motoren, die ein vergleichbares Drehmoment erzeugen, deutlich kleiner und haben damit einen Vorteil bei ihrem Drehmoment-Gewichts-Verhältnis.
Vorteile bürstenloser Motoren
Der vorherige Abschnitt erläutert die wichtigen Unterschiede zwischen Motoren mit Bürsten und bürstenlosen Motoren, doch die Frage bleibt: Sind bürstenlose Motoren von Natur aus besser?
Wie bei vielen technischen Fragen hängt die Entscheidung davon ab, wie Sie den Motor verwenden möchten. Wir wissen, dass Motoren mit Bürsten für Anwendungen mit hohen Drehzahlen nicht ideal sind, daher sind bürstenlose Motoren in diesen Bereichen überlegen. Der niedrigere Wirkungsgrad und die hohen Wartungskosten von Motoren mit Bürsten machen sie zudem für bestimmte Anwendungen weniger attraktiv.
Dennoch haben Motoren mit Bürsten geringere Anschaffungskosten, eine einfache Drehzahlregelung und erzeugen bei niedrigen Drehzahlen eine gleichmäßige, hochdrehmomentige Bewegung. Sie weisen außerdem einen linearen Zusammenhang zwischen Drehmoment und Drehzahl auf, was ihre Regelung erleichtert. Obwohl sie mit der Zeit verschleißen, machen diese anderen Eigenschaften sie zur idealen Wahl für bestimmte Geräte wie industrielle Geräte mit niedrigen Drehzahlen, Mixer, Scheibenwischer und mobile medizinische Geräte.
Abbildung 4: Motoren mit Bürsten in Scheibenwischern
Auf der anderen Seite kommen bürstenlose Motoren in Bereichen, in denen hohe Drehzahlen erforderlich sind, wie bei Sägen, Ventilatoren und Propellern, besonders gut zur Geltung. Sie haben außerdem einen Vorteil bei ihrem Drehmoment-Gewichts-Verhältnis, was für den Einsatz in bestimmten Fahrzeugen wie Drohnen und Elektroflugzeugen sowie in Bereichen, in denen ein kleiner, aber leistungsstarker Motor erforderlich ist, wie der Mikrorobotik, wichtig ist.
BLDC-Motoren eignen sich auch für Anwendungen, bei denen eine hohe Auslastung und hohe Effizienz erforderlich sind, wie z. B. für Akkuwerkzeuge, RC-Fahrzeuge, Heiz- und Kühlsysteme sowie industrielle Anwendungen. Ein Beispiel sind Systeme zur Entfernung und Messung von Objekten mittels Licht (LiDAR), die in Roboter-Navigations- und Lokalisierungssystemen eingesetzt werden, wie z. B. in selbstfahrenden Autos und Überwachungsdrohnen.
Abbildung 5: Das für Roboter-Navigationsanwendungen verwendete RPLiDAR-System
Anwendungen von bürstenlosen Gleichstrommotoren
Lassen Sie uns einige Anwendungen von bürstenlosen Motoren genauer betrachten.
Industrie: Bürstenlose Motoren sind aufgrund ihres hohen Drehmoments und ihrer langen Lebensdauer für viele industrielle Prozesse nützlich. Sie finden sich in CNC-Maschinen, Linearmotoren und Servomotoren. Sie werden auch als Aktoren eingesetzt, um Bewegungen in Industrierobotern für Aufgaben wie Lackieren, Produktmontage und sogar Schweißen zu steuern, wie beispielsweise in der britischen Anlage von Tata Steel (Abbildung 6).
Zu Hause: Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Effizienz sind bürstenlose Motoren eine erstklassige Wahl für viele Haushaltsgeräte. Sie finden sich in nahezu jedem Raum des Hauses in Geräten wie Staubsaugern, Kaffeemaschinen, Haartrocknern, Festplatten, Druckern und vielen mehr. Da viele dieser Geräte in sehr großen Stückzahlen hergestellt werden, ist es wichtig, dass sie eine hohe Qualität und Zuverlässigkeit aufweisen, um Kundenrücksendungen und Wartungsarbeiten zu vermeiden.
Akku-Elektrowerkzeuge: Da bürstenlose Motoren mit wiederaufladbaren Batterien betrieben werden können, eignen sie sich ideal für Akkuanwendungen, die ein geringes Gewicht und hohe Drehzahlen erfordern. Akku-Bohrmaschinen sind seit etwa einem Jahrzehnt erhältlich, machen heute aber bis zu 50 % der verfügbaren Modelle aus. Dies ist ein Bereich, in dem bürstenlose Motoren noch immer mit Motoren mit Kohlebürsten konkurrieren müssen, weshalb Preis und Häufigkeit der Nutzung wichtige Faktoren bei der Entscheidung für ein Modell sind.
RC-Autos: Bürstenlose Motoren können mit sehr hohen Drehzahlen laufen und schnell hohe Geschwindigkeitsspitzen liefern, daher eignen sie sich hervorragend für RC-Fahrzeuge. Die Eigenschaften des RC-Motors, wie Motor-Kv, Größe und Leistungsangabe, variieren je nach Modell. RC-Autos können auch mit Nitro-Motoren ausgestattet sein, die eine längere Laufzeit bieten, aber mit dem Aufwand verbunden sind, Benzin zu kaufen und das Fahrzeug zu betanken. Bürstenlose Motoren haben im Vergleich zu Nitro-Motoren tendenziell einen Vorteil bei der Beschleunigung und eignen sich daher im Allgemeinen besser für Rennen.
Abbildung 7: Geländegängiger Monster Truck RC-Auto, angetrieben von einem bürstenlosen Motor
Bürstenlose Motoren für Drohnen
Die kombinierten Eigenschaften von bürstenlosen Motoren machen sie ideal für den Einsatz in Drohnen. Sie sind leicht, hocheffizient, verfügen über einen weiten Drehzahlbereich und hohe Drehmomentkapazitäten – alles Eigenschaften, die für unbemannte Luftfahrzeuge vorteilhaft sind.
Bürstenlose Motoren für Hobby-Drohnen sind relativ kostengünstig, sodass Drohnenbauer verschiedene Modelle testen können, um herauszufinden, welche am effizientesten sind. Aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit ist kaum Wartung erforderlich, und es ist oft günstiger, den Motor auszutauschen, als ihn zu reparieren.
Für größere kommerzielle Drohnen und bemannte Drohnen werden ständig größere bürstenlose Motoren entwickelt, um den Anforderungen an mehr Leistung, Drehmoment und Schub gerecht zu werden. Diese Motoren tragen zur elektrischen Revolution in der Transportindustrie bei, die die Elektrifizierung bestehender Flugzeugmodelle und die Entwicklung neuer eVTOL-Flugzeuge umfasst.
Es gibt viele Drohnentypen, die sich in Größe, Bauart, Energiequelle und Funktion unterscheiden. Bürstenlose Motoren eignen sich für viele Anwendungen, obwohl auch Benzin- und Hybridmotoren verwendet werden.
Weitere Informationen zur Auswahl eines bürstenlosen Motors für Ihre Drohne finden Sie in unserem kostenlosen eBook über den Bau und die Optimierung von Drohnen.
Fazit
Bürstenlose Motoren sind in fast allen Bereichen unseres Lebens zu finden und werden immer beliebter. Vom Haushalt bis hin zu industriellen Anwendungen beeindrucken uns diese Motoren mit ihrer Kompaktheit, Effizienz und Zuverlässigkeit.
Um diese faszinierenden Maschinen zu verstehen, sind einige Grundkenntnisse über Elektromagnetismus und Elektrotechnik erforderlich – Konzepte, die wir hier behandelt haben.
Wenn Sie noch Fragen haben, hinterlassen Sie uns gerne unten einen Kommentar oder lesen Sie die anderen Artikel in unserem Wissenszentrum.