Bürstenbehaftete vs. bürstenlose Gleichstrommotoren: Effizienz, Auswahl und Verwendung

Bürstenbehafteter Gleichstrommotor vs. bürstenloser Gleichstrommotor

Der Hauptunterschied besteht darin, wie der Strom geschaltet wird: Bürstenmotoren verwenden physische Bürsten und einen mechanischen Kommutator, während bürstenlose Motoren eine elektronische Steuerung und Positionssensoren verwenden. Dieser eine Konstruktionsunterschied führt zu fast allen anderen Unterschieden zwischen den beiden Motortypen – Effizienz, Lebensdauer, Steuerungskomplexität und Kosten – alle gehen darauf zurück, ob die Kommutierung mechanisch oder elektronisch erfolgt.

Bürsten- vs. bürstenloser Motorwirkungsgrad

Bürstenlose Motoren sind bei vergleichbarer Leistung in der Regel effizienter als Bürstenmotoren, vor allem weil sie zwei Verlustmechanismen eliminieren, die dem Bürstenkontakt innewohnen: Reibung zwischen Bürste und Kommutator und elektrische Lichtbogenverluste, die auftreten, wenn Bürsten Kontakt mit Kommutatorsegmenten herstellen und trennen. Bürstenlose Motoren commonly achieve efficiencies in the 85-90% range , während Bürstenmotoren unter vergleichbaren Lastbedingungen typischerweise mehrere Prozentpunkte niedriger laufen.

Diese Effizienzlücke ist vor allem bei batteriebetriebenen und Dauerbetriebsanwendungen von Bedeutung, bei denen sich jeder Prozentpunkt der Effizienz direkt in Laufzeit oder reduzierter Wärmeerzeugung niederschlägt. Bei Anwendungen mit geringer Beanspruchung und intermittierender Nutzung ist der Effizienzunterschied weniger bedeutsam, was einer der Gründe dafür ist, dass Bürstenmotoren in kostengünstigen Verbraucherprodukten, bei denen die Einschaltdauer von Natur aus niedrig ist, nach wie vor weit verbreitet sind.

Vor- und Nachteile von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren

Mit einem Gewicht von a Bürstenmotor Im Vergleich zu einer bürstenlosen Alternative kommt es darauf an, ob deren Einfachheit und niedrige Kosten die kürzere Lebensdauer und geringere Effizienz für die spezifische Anwendung überwiegen.

• Vorteile: geringere Kosten, einfachere Steuerelektronik, hohes Anlaufdrehmoment, einfache Reparatur vor Ort
• Nachteile: Bürstenverschleiß begrenzt die Lebensdauer, geringere Effizienz, mehr Wärmeentwicklung, elektrisches Rauschen (EMI) durch Bürstenlichtbögen
• Beste Lösung: Kostenempfindliche Anwendungen mit geringer Einschaltdauer, bei denen ein regelmäßiger Bürstenaustausch akzeptabel ist

So wählen Sie einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor aus: Auswahlhilfe

Die Auswahl des richtigen bürstenbehafteten Gleichstrommotors beginnt mit den gleichen Grundlagen wie bei jedem Gleichstrommotor: Definieren Sie das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahl an der Last und vergleichen Sie diese dann mit der Nennleistung des Motors und der verfügbaren Versorgungsspannung. Weil Bürstenmotors Die Lebensdauer der Bürsten ist begrenzt, der Arbeitszyklus und die erwartete Lebensdauer spielen bei der Auswahl eine besondere Rolle im Vergleich zu bürstenlosen Alternativen.

• Bestätigen Sie das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahl an der Last, einschließlich der Start- und Spitzenbedingungen
• Passen Sie die Spannung an die verfügbare Stromversorgung an, um einen Betrieb mit erheblicher Unter- oder Überspannung zu vermeiden
• Schätzen Sie den erwarteten Arbeitszyklus und die Lebensdauer anhand der Nennlebensdauer der Bürsten
• Überprüfen Sie die thermischen Nennwerte im Vergleich zu kontinuierlichen und intermittierenden Betriebsbedingungen
• Berücksichtigen Sie die Umweltbelastung – Staub und Feuchtigkeit beschleunigen den Verschleiß von Bürsten und Kommutator

Berechnung des Drehmoments und der Geschwindigkeit eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors

Die Drehmoment- und Drehzahlberechnung für einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor folgt den gleichen Grundsätzen wie jede Dimensionierung eines Gleichstrommotors: Bestimmen Sie das Lastdrehmoment am Ausgang (Kraft × Radius für rotierende Lasten oder Kraft ÷ mechanischer Vorteil für lineare Lasten), fügen Sie einen Sicherheitsspielraum von etwa 20–50 % für Start- und Spitzenbedingungen hinzu und bestätigen Sie die erforderliche Drehzahl an der Abtriebswelle, nachdem Sie eine etwaige Getriebeuntersetzung berücksichtigt haben.

Der Leistungsbedarf ergibt sich direkt aus Drehmoment und Drehzahl (Leistung = Drehmoment × Winkelgeschwindigkeit), und dieser Wert sollte anhand der Dauernennleistung des Motors und nicht anhand seiner Spitzen- oder Stillstandsleistung verglichen werden, da ein anhaltender Betrieb in der Nähe des Stillstandsdrehmoments übermäßige Wärme in den Ankerwicklungen eines Bürstenmotors erzeugt und den Bürstenverschleiß aufgrund der höheren Stromaufnahme beschleunigt.

Anwendungen für bürstenbehaftete Gleichstrommotoren mit hohem Drehmoment

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren, insbesondere in Reihe gewickelte Konfigurationen, liefern im Verhältnis zu ihrer Größe und ihren Kosten ein starkes Anlaufdrehmoment, was sie zu einer praktischen Wahl für Anwendungen macht, die ein hohes Drehmoment aus dem Stillstand statt einem dauerhaften Hochgeschwindigkeitsbetrieb erfordern. Zu den gängigen Anwendungen von Bürstenmotoren mit hohem Drehmoment gehören Startermotoren für Kraftfahrzeuge, Winden, Antriebe für Elektrowerkzeuge und Linearantriebe – alle Fälle, in denen ein kurzer, intensiver Drehmomentbedarf wichtiger ist als die Effizienz im Dauerbetrieb.

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren für Industrie-, Robotik- und Automatisierungsgeräte

In Industrie- und Automatisierungsumgebungen sind bürstenbehaftete Gleichstrommotoren typischerweise kostenempfindlichen Anwendungen mit geringerem Taktzyklus vorbehalten, bei denen der Wartungsaufwand durch den regelmäßigen Austausch der Bürsten überschaubar ist – einfache Aktuatoren, Förderabschnitte mit geringer Auslastung und grundlegende Positionierungsaufgaben, die nicht die Präzision oder Langlebigkeit eines bürstenlosen Servosystems erfordern.

In der Robotik kommen Bürstenmotoren immer noch in kostengünstigeren Hobby- und Bildungsplattformen, Prototypenbauten und unkritischen Aktuatoren vor, bei denen das Budget die Notwendigkeit einer präzisen Steuerung oder einer längeren Lebensdauer überwiegt. Produktionsrobotik und -ausrüstung, von der erwartet wird, dass sie kontinuierlich in anspruchsvollen Arbeitszyklen läuft, wird im Allgemeinen stattdessen auf bürstenlose Motoren umgestellt, wobei die höheren Vorlaufkosten durch geringeren Wartungsaufwand und eine bessere Steuerungspräzision über die Betriebslebensdauer der Ausrüstung ausgeglichen werden.