Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren: Funktionsprinzip, Vor- und Nachteile und Wartung

Was ist ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor?

A bürstenbehafteter Gleichstrommotor ist ein Elektromotor, der Gleichstrom mithilfe eines mechanischen Kommutierungssystems in Drehbewegung umwandelt – ein Satz Kohle- oder Kupfer-Graphit-Bürsten, die Gleitkontakt mit einem rotierenden Kommutator herstellen um die Ankerwicklungen in der richtigen Reihenfolge mit Strom zu versorgen. Es ist die älteste und mechanisch einfachste Form eines Gleichstrommotors und wird immer noch überall dort eingesetzt, wo niedrige Kosten und einfache Steuerung wichtiger sind als maximale Effizienz oder Lebensdauer.

Das entscheidende Merkmal, das ihn von einem bürstenlosen Motor unterscheidet, ist genau dieses Bürsten- und Kommutatorsystem: Die Stromumkehr erfolgt automatisch durch physischen Kontakt und mechanisches Schalten und nicht durch eine externe elektronische Steuerung.

Gebürsteter Gleichstrommotor Funktionsprinzip

Strom fließt von der Stromversorgung durch die Bürsten in den Kommutator, der ihn in die Ankerwicklungen leitet. Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld um den Anker, das mit dem festen Feld des Motors (von Permanentmagneten oder Feldwicklungen) interagiert. Dadurch entsteht ein Drehmoment, das die Welle dreht. Während sich der Anker dreht, drehen sich die Kommutatorsegmente an den stationären Bürsten vorbei und kehren automatisch die Stromrichtung in jeder Wicklung im richtigen Moment um, um das wirkende Drehmoment in einer konsistenten Drehrichtung zu halten.

Durch dieses mechanische Schalten sind Bürstenmotoren selbstkommutierend. Es ist keine externe Elektronik erforderlich, um zu bestimmen, wann der Strom umgekehrt werden muss, im Gegensatz zu einem bürstenlosen Motor, der auf Sensoren und eine Steuerung angewiesen ist, um dieselbe Funktion elektronisch auszuführen.

Komponenten des bürstenbehafteten Gleichstrommotors erklärt

Wofür werden bürstenbehaftete Gleichstrommotoren verwendet?

• Kostensensible Konsumgüter: Elektrowerkzeuge, Spielzeug, Kleingeräte und Hobbyelektronik
• Automobilzubehör: Fensterheber, Sitzversteller, Scheibenwischermotoren und HVAC-Gebläsemotoren
• Einfache industrielle Betätigung: Pumpen mit niedrigem Takt, kleine Förderantriebe und einfache Positionierungssysteme
• Batteriebetriebene Geräte, bei denen eine einfache PWM-Spannungssteuerung ausreicht und die Kosten die Effizienzbedenken überwiegen

Vorteile von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren

• Einfache und kostengünstige Steuerung: Drehzahl und Drehmoment passen sich mithilfe einer einfachen PWM-Schaltung direkt an die angelegte Spannung an
• Niedrigere Vorabkosten: einfachere Konstruktion und keine Notwendigkeit eines elektronischen Geschwindigkeitsreglers
• Hohes Anlaufdrehmoment: effektiv für Anwendungen, die ein starkes Drehmoment aus dem Stillstand erfordern
• Einfache Fehlerbehebung und Reparatur: Mechanische Verschleißstellen sind einfach zu prüfen und auszutauschen

Nachteile von Gebürsteter Gleichstrommotors

• Bürstenverschleiß: Der physische Kontakt zwischen Bürsten und Kommutator nutzt sich mit der Zeit ab und erfordert einen regelmäßigen Austausch
• Geringerer Wirkungsgrad: Reibung und elektrische Lichtbögen am Bürstenkontakt führen zu Energieverlusten, die bei bürstenlosen Konstruktionen nicht auftreten
• Elektrisches Rauschen (EMI): Lichtbögen am Kontakt zwischen Bürste und Kommutator erzeugen elektrisches Rauschen, das empfindliche Elektronik in der Nähe stören kann
• Wärmeentwicklung: Reibungs- und Widerstandsverluste an den Bürsten erzeugen im Vergleich zu bürstenlosen Designs zusätzliche Wärme
• Kürzere Lebensdauer: Der Bürstenverschleiß begrenzt letztendlich die Gesamtbetriebslebensdauer stärker als bei den meisten anderen Motorkomponenten

Lebensdauer und Wartung des bürstenbehafteten Gleichstrommotors

Der Bürstenverschleiß ist der Hauptfaktor, der die Lebensdauer eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors begrenzt, und er beschleunigt sich mit höherer Stromaufnahme, höherer Drehzahl und staubigeren oder schmutzigeren Betriebsumgebungen. Die typische Lebensdauer einer Bürste liegt zwischen mehreren hundert und einigen tausend Stunden abhängig von Einschaltdauer, Belastung und Bürstenmaterial, wobei Motoren, die diskontinuierlich bei geringer Last laufen, deutlich länger laufen als Motoren, die dauerhaft unter hoher Last laufen.

• Überprüfen Sie die Bürsten regelmäßig auf Länge und gleichmäßigen Verschleiß. Ersetzen Sie sie, bevor sie so weit abgenutzt sind, dass der Federkontaktdruck verloren geht
• Entfernen Sie Ablagerungen auf der Kommutatoroberfläche (Kohlenstoffstaub, Oxidation), um einen gleichmäßigen elektrischen Kontakt aufrechtzuerhalten
• Überprüfen Sie den Kommutator auf Riefenbildung oder Lochfraß, da dies zu einem weiteren Bürstenverschleiß führen kann, sobald dieser beginnt
• Halten Sie das Motorgehäuse frei von Staub und Schmutz, da in der Luft befindliche Partikel den Bürsten- und Kommutatorverschleiß erhöhen
• Vermeiden Sie einen dauerhaften Überstrombetrieb, der die Lichtbogenbildung verstärkt und den Verschleiß der Bürsten und des Kommutators beschleunigt

So steuern Sie einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren werden hauptsächlich durch gesteuert Spannungsanpassung , da die Geschwindigkeit ungefähr proportional zur angelegten Spannung und das Drehmoment ungefähr proportional zur Stromaufnahme ist. Die gebräuchlichste Steuerungsmethode ist die Pulsweitenmodulation (PWM), bei der ein Controller die volle Versorgungsspannung schnell ein- und ausschaltet und das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit (Arbeitszyklus) die effektive Durchschnittsspannung bestimmt, die der Motor sieht.

Die Richtungssteuerung erfolgt über eine H-Brückenschaltung, die den Stromfluss durch den Motor in beide Richtungen ermöglicht, indem sie umschaltet, welche Versorgungsklemmen mit welchen Motorklemmen verbunden sind. Die Kombination der PWM-Geschwindigkeitssteuerung mit der H-Brücken-Richtungssteuerung ermöglicht eine vollständige Geschwindigkeits- und Richtungssteuerung über eine einfache, kostengünstige Treiberschaltung, was einer der Gründe dafür ist, dass Bürstenmotoren in kostensensiblen Anwendungen nach wie vor beliebt sind.

So verbessern Sie den Wirkungsgrad von Gleichstrombürstenmotoren

• Verwenden Sie hochwertiges Bürstenmaterial: Hochwertigere Kohle- oder Kupfer-Graphit-Bürsten reduzieren Übergangswiderstände und Lichtbogenverluste
• Sorgen Sie für die richtige Spannung der Bürstenfedern: zu wenig Spannung erhöht die Lichtbogenbildung und den Kontaktwiderstand; Zu viel beschleunigt den Verschleiß
• Halten Sie den Kommutator sauber und glatt: Ablagerungen oder Lochfraß erhöhen den Kontaktwiderstand und die Wärmeentwicklung
• Vermeiden Sie einen längeren Betrieb unterhalb der Nennspannung: Unterspannungsbetrieb erhöht die Stromaufnahme bei einem gegebenen Drehmoment und erhöht damit die Widerstandsverluste
• Dimensionieren Sie den Motor richtig für die Last: Ein überdimensionierter Motor, der weit unter seiner Nennleistung läuft, verschwendet die Effizienz im Vergleich zu einem richtig abgestimmten Motor