Was ist ein bürstenloser Gleichstrommotor? Steuerelemente, Anwendungen und Typen

BLDCs oder bürstenlose Gleichstrommotoren haben gegenüber ihren herkömmlichen „Bürsten“-Gegenstücken eine Reihe von Vorteilen. Bürstenlose Motoren werden in Drohnen, Elektrowerkzeugen, Konsumgütern, Verpackungsanlagen, Geräten, medizinischen Anwendungen und mehr eingesetzt. In diesem Beitrag untersuchen wir die relativen Vor- und Nachteile von BLDC-Motoren im Vergleich zu anderen Motortechnologien. Außerdem erfahren Sie, wo Sie sie in Aktion sehen und wie Sie sie nutzen können.

Bürstenlose Gleichstrommotoren erregen nacheinander eine Anordnung elektromagnetischer Spulen am Stator eines Motors (stationärer Abschnitt), um eine Kraft auf Permanentmagnete zu erzeugen, die am Rotor des Motors (rotierender Abschnitt) angeordnet sind. Statorspulen müssen von einem speziellen Treiber in einem bestimmten Muster mit unterschiedlichen elektrischen – und damit magnetischen – Richtungen mit Strom versorgt werden. BLDC-Motoren arbeiten bei gleichen Lasten und Drehzahlen deutlich effizienter als bürstenbehaftete Gleichstrommotoren.

Um dieses Muster auszuführen, muss der Fahrer jederzeit die Position des Rotors kennen. BLDC-Motoren verfügen über eine Regelung im geschlossenen Regelkreis, typischerweise über einen Hall-Effekt-Sensor oder durch die Erkennung von Gegen-EMF. Durch Variation der Geschwindigkeit der Spulenfolge kann die Rotationsleistung mit hoher Genauigkeit gesteuert werden. BLDC-Motoren haben einige Ähnlichkeiten mit Schrittmotoren, aber BLDCs sind für hohe Geschwindigkeiten optimiert, während Schrittmotoren, die einen Open-Loop-Aufbau verwenden, für eine genaue Positionierung optimiert sind.

Es gibt zwei Haupttypen des BLDC-Motors: Innenläufer und Außenläufer.

Die elektromagnetischen Abschnitte des Innen- und Außenläufers bleiben stationär, während sich die Magnete drehen. Das ist anders als bei einem herkömmlichen Gleichstrommotor, bei dem die Magnete stationär (am Gehäuse befestigt) bleiben, während sich der elektromagnetische Abschnitt dreht. Der andere grundlegende Unterschied besteht darin, dass bürstenbehaftete Gleichstrommotoren physische Bürsten verwenden, um Elektrizität in einer „mechanisch programmierten“ Reihenfolge zu übertragen, anstatt die Erregung der Spule auf der Grundlage eines Hall-Effekt-Sensors oder einer Gegen-EMK zu steuern.

Der große Vorteil von Gleichstrommotoren mit Bürsten gegenüber bürstenlosen Gleichstrommotoren besteht darin, dass sie kostengünstig und einfach zu verwenden sind. Schließen Sie einfach einen an eine Gleichstromquelle mit der entsprechenden Spannung an. Zu den Nachteilen zählen jedoch ein geringerer Wirkungsgrad, durch Reibung verschleißende Bürsten und Funkenbildung. Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren verfügen im Vergleich zu BLDC-Motoren auch über eine geringere Leistungssteuerung. Sie haben kein eingebautes Feedback und die Variation des Spannungseingangs ist die einzige Möglichkeit, die Ausgangsdrehzahl und das Drehmoment zu ändern.

Ist ein BLDC-Motor ein Schrittmotor, ein Wechselstrommotor oder etwas Einzigartiges?

Bürstenlose Gleichstrommotoren drehen sich in schnellen aufeinanderfolgenden Schritten, daher ist es verlockend, dieses rotierende Gerät in die Kategorie der Schrittmotoren einzuordnen. Wie bereits erwähnt, besteht der praktische Unterschied darin, dass BLDCs typischerweise für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb ausgelegt sind, während Schrittmotoren für eine präzise Positionierung ausgelegt sind. Wenn Sie einen Motor mit mehreren tausend Umdrehungen pro Minute benötigen, ist ein BLDC die richtige Wahl gegenüber einem Schrittmotor.

Wenn Sie jedoch einen Motor benötigen, der Bruchteile einer Umdrehung präzise hin und her und immer wieder dreht, können Schrittmotoren sehr gut funktionieren. Bedenken Sie, dass CNC-Fräsmaschinen und 3D-Drucker häufig stundenlang unter Schrittsteuerung arbeiten und dabei jeder Schritt perfekt synchron bleibt. Auch Servomotoren, die mithilfe von Sensorrückmeldungen bestimmen, wie weit ein Motor fährt, können für eine präzise Positionierung eine gute Wahl sein.

Angesichts der Tatsache, dass BLDC-Motoren Elemente des Schritt- und Servobetriebs kombinieren, kann man BLDCs zu Recht als ein völlig einzigartiges System betrachten. Mit hervorragender Geschwindigkeitsleistung und Effizienz, integriertem Feedback und geringen Wartungskosten sind BLDC-Motoren eine attraktive Option für eine Vielzahl von Automatisierungsprojekten.

BLDC-Motoren sind Gleichstromgeräte, ein Wechselstromanalogon wird jedoch als Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) bezeichnet. Anstelle einer kontrollierten Gleichstromversorgung jeder Spule verwendet dieser Motortyp stattdessen eine Wechselstromeingangsquelle mit einem Antrieb mit variabler Frequenz, um die Motorgeschwindigkeiten zu steuern. PMSMs sind in der Regel effizienter und erzeugen mehr Drehmoment als BLDC-Motoren und werden häufig in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Obwohl PMSMs nicht dasselbe wie ein BLDC-Motor sind, sind sie in vielen Situationen eine gute Alternative.

Mit Rotationsinformationen, die von speziellen Sensoren oder Gegen-EMF bereitgestellt werden, kann die BLDC-Steuerung durch eine von drei Methoden implementiert werden: trapezförmige, sinusförmige und feldorientierte Steuerung (FOC).

BLDC-Motortechnologien werden heute vor allem in Drohnensystemen eingesetzt, wo die Koordination von vier oder mehr Rotoren, die hohe Geschwindigkeiten, Effizienz und geringen Wartungsaufwand ermöglichen, von größter Bedeutung ist. Wir sehen sie auch zunehmend in Elektrowerkzeuge integriert, obwohl BLDC-Modelle in der Regel einen erheblichen Preisaufschlag gegenüber ihren gebürsteten Gegenstücken haben. Geräte wie Waschmaschinen und Trockner verfügen über BLDC-Motoren sowie einige Ventilatoren und Pumpen.

Weitere Anwendungen sind kleine Kühlventilatoren an PCs, die üblicherweise von BLDC-Motoren angetrieben werden. Auch präzise rotierende magnetische/optische Medien (Festplatten und CD/DVD/Blu-ray-Player) nutzen diese Technologie. Zu den weiteren Anwendungen zählen im Großen und Ganzen Elektrofahrzeuge (einschließlich Elektrofahrräder), Verpackungsanlagen und medizinische Geräte.

Aufgrund ihrer erheblichen Vorteile werden wir in naher Zukunft wahrscheinlich einen verstärkten Einsatz der BLDC-Motortechnologie erleben. Suchen Sie nach einer weiteren Nutzung der fortschrittlichsten FOC-Methoden für bessere Motoreffizienz und Leistungsabgabe sowie die Verfügbarkeit immer leistungsfähigerer Treiber.

Unabhängig davon, ob Sie ein ausstehendes Projekt oder einen potenziellen zukünftigen Anwendungsfall haben, gibt es keinen besseren Zeitpunkt, die BLDC-Technologie zu erkunden. Um den Einstieg zu erleichtern, bietet Arrow eine Vielzahl von BLDC-Evaluierungsboards an, die den Designaufwand vereinfachen und die Markteinführungszeit verkürzen.