Wie funktionieren bürstenlose Motoren?
Alles, was Sie über bürstenlose Motoren wissen müssen, einschließlich ihrer Funktionsweise, ihres Vergleichs mit Bürstenmotoren, ihrer Vorteile und Anwendungen.
August 23, 2024
Bürstenlose Motoren, auch BLDC-Motoren (Brushless Direct Current) genannt, sind synchrone und elektronisch kommutierte Motoren. Sie sind zuverlässige, leistungsstarke und effiziente Motoren, die in vielen Anwendungen eingesetzt werden. Wenn Sie die Stärken und Schwächen bürstenloser Motoren kennen und wissen, welche Optionen Sie haben, ist es wichtig, das beste Antriebssystem für Ihre Bedürfnisse zu entwickeln.
Wie funktioniert ein bürstenloser Motor?
Bürstenlose Motoren arbeiten, indem ein elektrischer Wechselstrom in den Kupferwicklungen des Stators erzeugt wird. Diese interagieren mit den Magneten am Rotor und erzeugen Bewegung. Wenn ein elektrischer Strom in einem Kupferdraht fließt, entsteht um ihn herum ein Magnetfeld. Wenn mehrere Drähte zusammengewickelt sind oder ein höherer Strom angelegt wird, entsteht ein noch stärkeres Magnetfeld. Wenn zwei Magnetfelder interagieren, erzeugen sie entweder eine entgegengesetzte oder eine anziehende Kraft, die wiederum Bewegung erzeugt. Die Steuerung dieses Wechselstroms ermöglicht es dem Benutzer des Motors somit, das Drehmoment und die Drehzahl des Motors festzulegen. Bei einem Synchronmotor dreht sich das vom Stator erzeugte Magnetfeld mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Rotor.
Ein bürstenloser Motor steuert über einen elektronischen Antrieb den Strom in den Kupferwicklungen und erzeugt ein Magnetfeld, das die Magnete am Rotor in die vorgesehene Bewegungsrichtung zieht. Der Strom in den Kupferwicklungen muss sehr präzise gesteuert werden, um ordnungsgemäß zu funktionieren und einen hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten. Eine übliche Methode zur Steuerung des Stroms ist die Pulsweitenmodulation (PWM).
Was ist der Unterschied zwischen gebürsteten und bürstenlosen Motoren?
Der Hauptunterschied zwischen einem gebürsteten und einem bürstenlosen Motor besteht darin, wie die Motoren einen Wechselstrom mit der richtigen Frequenz erzeugen. Da sich der Motor immer schneller dreht, muss auch der Wechselstrom die Frequenz ändern.
Gebürsteter Motor
Ein Bürstenmotor erledigt dies mechanisch, indem er Bürsten verwendet, um den Strom auf den Rotor zu übertragen. Die Kupferdrähte befinden sich am Rotor und die Permanentmagnete befinden sich am Stator. Wenn sich der Rotor dreht, gewinnen und verlieren die Bürsten ihre elektrische Verbindung zu den verschiedenen Phasen der Rotorwicklung, wodurch ein Wechselstrom mit der richtigen Frequenz erzeugt wird.
BLDC-Motor
Ein bürstenloser Motor benötigt jedoch eine Leistungselektronik zur Steuerung. Die Leistungselektronik hat je nach Branche unterschiedliche Namen, darunter: elektronischer Drehzahlregler (ESC), Servoantrieb, Motorantrieb, Motorumrichter, Frequenzumrichter (VSD) oder Motorsteuerung.
Der Motorantrieb steuert die Amplitude, Frequenz und Phase des Stroms und der Spannung, die an die elektrischen Wicklungen des Stators angelegt werden. Das Fehlen von Bürsten, die mechanisch mit dem Rotor interagieren, führt zu einer höheren Zuverlässigkeit und einer längeren Lebensdauer. Die Steuerung durch einen Motortreiber führt auch zu einer präzisen Steuerung von Drehmoment und Geschwindigkeit sowie zu einer verbesserten oder genaueren Steuerung der Bewegung.
Stärken und Schwächen bürstenloser Motoren (BLDC)
Stärken:
- Hohe Effizienz: Bürstenlose Motoren wandeln mehr elektrische Energie in mechanische Energie um und minimieren so Energieverluste.
- Lange Lebensdauer: Das Fehlen von Bürsten und die robuste Konstruktion verlängern die Lebensdauer des Motors erheblich.
- Niedriger Wartungsaufwand: Bürstenlose Motoren sind ideal für den Langzeitbetrieb und erfordern nur minimalen Wartungsaufwand.
- Präzise Steuerung: Die elektronische Kommutierung ermöglicht eine präzise Steuerung von Geschwindigkeit und Drehmoment.
- Leiser Betrieb: Ohne Bürsten, die Reibung erzeugen, laufen diese Motoren leiser als gebürstete Gegenstücke.
Schwächen:
- Kosten: Die erhöhte Komplexität und der Bedarf an einer elektronischen Steuerung erhöhen die anfänglichen Materialkosten im Vergleich zu Bürstenmotoren, was jedoch durch geringere Service- oder Wartungskosten ausgeglichen wird.
- Komplexität: Die erforderliche elektronische Steuerung erhöht die Systemkomplexität.
- Ersteinrichtung: Im Vergleich zu Bürstenmotoren erfordert die Einrichtung eines bürstenlosen Systems mehr Zeit und Fachwissen.
Hauptanwendungen für bürstenlose Motoren
Aufgrund des hohen Wirkungsgrads, der Zuverlässigkeit und der präzisen Steuerung sind bürstenlose Motoren in einer Vielzahl von Branchen die bevorzugte Technologie. Sie werden in vielen Branchen häufiger eingesetzt als Bürstenmotoren. Einige der Hauptanwendungen für bürstenlose Motoren, sortiert nach Branchen, sind:
- Medizinische Industrie
- In Branchen, die Wert auf Zuverlässigkeit und Präzision legen, werden BLDC-Motoren zum Antrieb chirurgischer Instrumente, Bildgebungsgeräte, Beatmungsgeräte und Pumpen eingesetzt.
- Luft-/Raumfahrt
- BLDC-Motoren werden in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, um Aktuatoren für Windklappen und Räder, Bildgebungssysteme und Lüfter anzutreiben.
- Industrielle Automatisierung
- Roboterarme, CNC-Maschinen, Positioniergeräte, Pumpen und Lüfter verwenden BLDC-Motoren.
- Verteidigung
- Leistung, Zuverlässigkeit und präzise Steuerung sind in vielen Verteidigungsanwendungen von entscheidender Bedeutung, von See- und Luftantrieben bis hin zu kardanischen Aufhängungen in der Luft, am Boden und auf See.
Bürstenlose Präzisions-Torquemotoren
Ein bürstenloser Präzisions-Drehmomentmotor ist ein spezieller BLDC-Motor, der für Anwendungen entwickelt wurde, die eine hohe Drehmomentabgabe und eine präzise Steuerung des Motors erfordern. Zu den typischen Anwendungen für Präzisions-Torquemotoren gehören Robotik, medizinische Geräte, Satellitenkommunikation, Metrologie, Herstellung von Halbleitern, und hochpräzise Kardanringe.
Bürstenlose Präzisionsmorquemotoren ermöglichen die Konstruktion eines Systems, das ein hohes und gleichbleibendes Drehmoment bei genau der erforderlichen Drehzahl liefert, ohne dass der Wirkungsgrad beeinträchtigt wird oder ein großer Motor erforderlich ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bürstenlose Motoren (BLDC) einen Motorantrieb verwenden, um den elektrischen Strom des Motors abzuwechseln und den Rotor anzutreiben. BLDC-Motoren sind zuverlässiger, effizienter und präziser als Bürstenmotoren und werden in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen eingesetzt. Bürstenlose Präzisions-Torquemotoren sind eine Art BLDC-Motor mit erhöhter Drehmomentabgabe und Präzision und sind daher die bevorzugte Wahl für anspruchsvolle Präzisionsanwendungen.
Nicolas Giraudo
Kaufmännischer Leiter
Fossegrenda 1, 7038 Trondheim, Norwegen
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