Leitfaden zur Auswahl bürstenloser Motoren: Kommutierung, Cogging und wichtige Spezifikationen zur Bestätigung

Ein bürstenloser 57-mm-Motor und ein bürstenbehafteter 57-mm-Motor können sich einen Montageflansch, eine 24-V-Schiene und dasselbe Planetengetriebe teilen und sich dennoch wie verschiedene Maschinen auf dem Prüfstand verhalten. Was sie unterscheidet, ist nicht das Gehäuse, sondern die Spezifikation dahinter: Busspannung, Dauerdrehmoment bei Betriebspunktdrehzahl, Arbeitszyklus, Umgebungstemperatur, Lastträgheit und die Rückmeldung, die der Antrieb benötigt. Korrigieren Sie diese sechs und der größte Teil des verbleibenden Datenblatts folgt.

Was ein bürstenloser Motor aus Hardware-Sicht ist

Ein bürstenloser Motor ist eine Permanentmagnet-Synchronmaschine, deren Statorwicklungen durch einen elektronischen Antrieb statt durch einen mechanischen Kommutator geschaltet werden, so dass die einzigen Teile, die sich berühren, die Lager sind.

Die Anzahl der Teile im Inneren des Gehäuses ist geringer, als die meisten Erstkäufer erwarten. Ein laminierter Stator trägt dreiphasige Wicklungen; der Rotor trägt oberflächenmontierte oder innenliegende Permanentmagnete; zwei Lager fixieren die Welle; und bei den Versionen mit Sensor sind drei Hall-Effekt-Verriegelungen im elektrischen Abstand von 120 Grad angeordnet. Der Kupfer-auf-Kohlenstoff-Gleitkontakt, der einen Bürstenmotor verschleißt, ist verschwunden, und damit auch der Bürstenstaub, der Kommutatorfilm und die damit verbundene Nachspannung.

Bürstenloser Motor (BLDC oder PMSM): eine Synchronmaschine mit einem Permanentmagnetrotor und einem gewickelten Stator, bei der ein dreiphasiger Wechselrichter Spannungsvektoren im Einklang mit der Rotorposition anlegt. BLDC beschreibt normalerweise ein trapezförmiges Gegen-EMK-Design mit sechsstufiger Kommutierung; PMSM beschreibt ein sinusförmiges Design mit feldorientierter Steuerung. Die Hardware-Familie ist dieselbe.

Der Handel ist unkompliziert: Der Antrieb wird Teil der Motorspezifikation. Kommutierungszeitpunkt, Strombegrenzung, Drehzahlregelkreis und bei integrierten Geräten auch die Feldbusschnittstelle sind in der Elektronik untergebracht. Eine korrekte Wicklung bei einem sechsstufigen Antrieb kann bei einem feldorientierten Antrieb falsch sein, da beide unterschiedliche Gegen-EMK-Formen und unterschiedliche Stromwellenformen annehmen.

Kommutierungswinkel, der das Drehmoment pro Ampere bei jeder Drehzahl festlegt und darüber entscheidet, ob der Motor heiß oder leise läuft.
Strombegrenzungs- und Blockierschutz, die die Thermosicherung ersetzen, die bei einem gebürsteten Design erforderlich wäre.
Geschwindigkeits- und Positionsschleifen, die bestimmen, ob die Maschine einen Controller-Schrank oder eine einzelne integrierte Platine benötigt.

BL57 57 mm bürstenloser Gleichstrommotor Ein bürstenloser 57-mm-Gleichstrommotor, der zur OEM/ODM-Anpassung angeboten wird und für die Anpassung der Wicklungs- und Antriebselektronik an die Kommutierungsoptionen relevant ist. Produkt anzeigen →

Kommutierung: sechsstufige oder feldorientierte Regelung

Die sechsstufige Kommutierung schaltet zwei der drei Phasen gleichzeitig um und ist die günstigste Möglichkeit, einen bürstenlosen Motor anzutreiben. Die feldorientierte Steuerung zerlegt den Statorstrom in Drehmoment- und Flusskomponenten und senkt die Drehmomentwelligkeit von etwa 10 bis 15 Prozent des Nenndrehmoments auf 3 bis 5 Prozent.

Für sechsstufige Antriebe werden trapezförmige Ausführungen gebaut. Die Gegen-EMK ist über 120 elektrische Grad abgeflacht, so dass der Strom im selben Fenster blockiert werden kann und das Produkt aus beiden nahezu konstant bleibt. Sinusförmige Designs werden für FOC entwickelt, das eine kontinuierliche Positionsschätzung und eine Stromschleife benötigt, die schnell genug ist, um diese zu verfolgen. Durch die Mischung der beiden entsteht der meiste Prototypenlärm.

Der Antrieb muss die elektrische Frequenz und nicht die mechanische Geschwindigkeit verfolgen. Ein 4-Polpaar-Motor bei 4.000 U/min sieht 267 Hz; Ein Außenläufer mit 14 Polpaaren sieht bei gleicher Wellengeschwindigkeit 933 Hz. Bei einem 20-kHz-PWM-Träger erhält die Stromschleife am oberen Ende nur etwa 21 Schaltperioden pro elektrischem Zyklus, weshalb hohe Polzahlen und Wicklungen mit niedriger Induktivität Antriebe in Richtung schnellerer Prozessoren oder niedrigerer Trägerfrequenzen drängen.

In SI-Einheiten sind die Gegen-EMK-Konstante und die Drehmomentkonstante numerisch identisch. Ein Motor mit einer Gegen-EMK von 0,05 V pro Bogenmaß pro Sekunde liefert einen Quadraturstrom von 0,05 Nm pro Ampere. Diese einzelne Zahl verknüpft die Busspannung mit der Höchstgeschwindigkeit und den Strom mit dem Drehmoment und ist das erste, was überprüft werden muss, wenn eine Probe zu schnell läuft oder zu früh abwürgt.

Kommutierungsmethoden im Vergleich auf einem 24-V-Bus für einen 400-W-Rahmen.
Methode	Rotor-Rückmeldung	Drehmomentwelligkeit	Fahrkosten	Typische Passform
Sechsstufiges Trapez	Drei Hall-Latches oder sensorlose Gegen-EMF	10 bis 15 Prozent	Am niedrigsten	Pumpen, Lüfter, Elektrowerkzeuge
Sinusförmiger FOC	Hall-Latches, Encoder oder Beobachter	3 bis 5 Prozent	Mäßig	Medizinische Antriebe, Robotik, leise HVAC
Sensorlose FOC	Beobachter der Gegen-EMF über etwa 10 Prozent Geschwindigkeit	3 bis 5 Prozent	Mäßig	Kompressoren, Drohnenantrieb, Gebläse

Gebürstet oder bürstenlos: Die Entscheidung hängt vom Arbeitszyklus ab

Ein bürstenloser Motor gewinnt immer dann, wenn die Einschaltdauer lang ist, das Gehäuse abgedichtet ist oder die Last ein Drehmoment bei niedriger Drehzahl benötigt; Ein Bürstenmotor mit austauschbaren Bürsten ist immer noch von Vorteil bei den Antriebskosten und bei Projekten, bei denen zusätzliche Elektronik nicht rechtzeitig qualifiziert werden kann.

Die Pinsellebensdauer entscheidet über die meisten dieser Argumente. Ein 40-mm- bis 52-mm-Bürstenmotor mit austauschbaren Kohlebürsten weist typischerweise eine Nennlebensdauer der Bürsten im Bereich von 1.000 bis 3.000 Stunden auf, und dieser Wert geht von sauberer Luft, mäßiger Umgebungstemperatur und keinem Dauerbetrieb bei niedriger Drehzahl aus. Ein bürstenloser Motor der gleichen Bauart hat an dieser Schnittstelle kein Verschleißteil, sodass die begrenzenden Faktoren auf die Lebensdauer des Lagerfetts und die Elektrolytkondensatoren im Antrieb zurückzuführen sind.

Gebürsteter DC

Verschleißteile: Bürsten, Federn, Kommutator
Wirkungsgrad bei Nennlast: niedrige 70er Prozent
Wärmepfad: Rotorkupfer und Bürstentropfen
Elektronik: zwei Drähte, kein Antrieb erforderlich
Service: Bürstenwechsel, Staubentfernung

Bürstenloser Gleichstrom

Verschleißteile: nur Lager
Wirkungsgrad bei Nennlast: mittlere 80er bis niedrige 90er Prozent
Wärmepfad: Stator- und Endwicklungen
Elektronik: Dreiphasen-Wechselrichter, zwingend erforderlich
Service: Lagerfettintervall, Antriebsdiagnose

Volllast-Effizienzband, Bruchteil-Kilowatt-Motoren

Gebürsteter DC, 40 mm

72 %

IE3-Induktion, 0,75 kW

82,5 %

BLDC, sechsstufig

85 %

BLDC, FOC

90 %

Indikative Volllastwerte bei Nenndrehmoment und Nenndrehzahl. Der Wert von 0,75 kW entspricht dem IE3-Minimum, das von IEC 60034-30-1 für eine 4-polige Maschine gefordert wird; Bürstenlose Werte verschieben mehrere Punkte mit Rahmengröße, Wicklung und Kühlung.

Die sechs Zahlen, die über die Spezifikation entscheiden

Das Dauerdrehmoment bei Betriebsdrehzahl bestimmt die Baugröße; Jede zweite Zahl im Datenblatt ist eine Folge dieses Paares plus des Arbeitszyklus.

20 %

Drehmomentreserve bei einem ersten Prototyp

5:1

Last-Rotor-Trägheit für stabile Abstimmung

155 C

Isolationsgrenzwert der Klasse F, IEC 60034-1

Kontinuierliches Drehmoment und Geschwindigkeit

Nehmen Sie das RMS-Drehmoment des tatsächlichen Arbeitszyklus, nicht den Spitzenwert, und addieren Sie 20 Prozent. Das Spitzendrehmoment bestimmt nur die Strombegrenzung und den Antrieb, niemals den Magnetkreis.

Busspannung und Wicklung

Die Gegen-EMK sollte bei Höchstgeschwindigkeit unter etwa 85 Prozent der minimalen Busspannung bleiben, damit die Stromschleife Spielraum für Beschleunigung und Lastschritte behält.

Einschaltdauer und thermischer Pfad

Kontinuierlich, 25 Prozent ED oder eine zehnminütige Spitze erzeugen jeweils unterschiedliche Wicklungstemperaturen. Klasse F erlaubt 155 °C am Hotspot gemäß IEC 60034-1, und eine Umgebungstemperatur von 40 °C verschlingt dieses Budget.

Lastträgheit und Beschleunigung

Halten Sie die reflektierte Lastträgheit nach Möglichkeit unter dem Fünffachen der Rotorträgheit. Darüber hinaus ist mit einer Verstimmung des Geschwindigkeitsregelkreises und einer Verringerung des Beschleunigungsstroms zu rechnen.

Umgebungs- und Eindringschutz

IP54 deckt staubige Innenschränke ab; IP65 nach IEC 60529 deckt staubdichte Gehäuse mit Niederdruck-Strahlreinigung ab. Die Wellendichtung und die Kabeleinführung versagen meist vor dem Gehäuse.

Feedback- und Antriebsschnittstelle

Hall-Latches dienen nur der Kommutierung, ein Inkrementalgeber, wenn es auf die Position ankommt, sensorlos, wenn Kosten und Kabelanzahl im Vordergrund stehen. Die Wahl verändert den Stecker, nicht nur die Platine.

Parameter, die im Datenblatt bestätigt werden müssen, bevor eine Probe genehmigt wird.
Parameter	Was es behebt	Wert zur Bestätigung
Kontinuierliches Drehmoment	Rahmengröße und Wicklung	Nm bei Betriebspunktgeschwindigkeit, 20 Prozent Marge
Busspannung	Windungszahl und Gegen-EMK-Konstante	24 V nominal mit einem 20- bis 28-V-Fenster
Arbeitszyklus	Thermischer Spielraum	Kontinuierlich, 25 Prozent ED oder 10-Minuten-Spitze
Ambient und IP	Isolationsklasse und Abdichtung	40 °C Umgebungstemperatur, IP54 oder IP65
Lastträgheit	Beschleunigungsstrombegrenzung	Verhältnis unter 5:1
Feedback	Antriebsschnittstelle und Kabelanzahl	Hall, Encoder oder sensorlos

BL80 series 80mm Diameter Brushless DC Motor

Bürstenloser Gleichstrommotor der BL80-Serie mit 80 mm Durchmesser Produktdefinition: Die BL80-Serie ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit 80 mm Durchmesser, der für Hochlastanwendungen entwickelt wurde. Es zeichnet sich durch eine kraftvolle Leistung und ein hohes Drehmoment aus. Produkt anzeigen →

Wo bürstenlose Designs in der Praxis versagen

Lagerstrom, Überhitzung bei niedriger Drehzahl und antriebsseitige Überspannung durch regeneratives Bremsen sind für mehr Ausfälle bei bürstenlosen Motoren im Feld verantwortlich als Magnet- oder Wicklungsdefekte.

Die Wellenspannung von der PWM-Schaltung entlädt sich über die Lager. Ein Keramik-Hybridlager oder ein geerdeter Bürstenring behebt das Problem, bevor die Laufbahn Riffelungen aufweist.
Bei niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment ist der Lüfter wirkungslos und die Endwicklungen heiß. Reduzieren Sie das Dauerdrehmoment unter 20 Prozent der Nenndrehzahl, es sei denn, der Antrieb verfügt über einen Temperatureingang.
Durch regeneratives Bremsen in eine Batterie oder einen gemeinsamen DC-Bus kann die Schiene über die Kondensatornennleistung angehoben werden. Bestätigen Sie den Schwellenwert des Brems-Choppers, nicht nur die Motorleistung.
Lange Motorkabel erhöhen die Kapazität und erhöhen die Belastung durch reflektierte Wellen. Überprüfen Sie bei über 30 m ungeschirmtem Kabel den du/dt-Grenzwert des Antriebs und den Grad der Wicklungsisolation.

Ein bürstenloser Motor fällt nicht aus, weil die Magnete bei 80 °C schwächer werden. Er fällt aus, weil das Lager, der Wicklungs-Hotspot und der DC-Bus unter Nennbedingungen und niemals an der Ecke der Hüllkurve spezifiziert wurden.

Katalogteil oder kundenspezifische Wicklung

Standardmäßige bürstenlose Motoren decken die gängigen Betriebspunkte 24 V und 3.000 U/min ab; Sobald die Anforderung eine nicht standardmäßige Welle, eine IP65-Dichtung oder einen bestimmten Stecker umfasst, werden die Wicklung und die mechanische Schnittstelle normalerweise angepasst, anstatt dass die Maschine anhand eines Katalogteils neu konstruiert wird.

Zwei Familien tragen den Großteil dieser Arbeit. Low-Cogging-Designs verwenden Schlitz- und Polkombinationen, die das Rastmoment unterdrücken. Dies ist wichtig, wenn ein Encoder einige Bogenminuten auflöst und die Last eine Linse oder eine Spritze ist. Einheiten mit integrierter Steuerung verlagern den Wechselrichter in die hintere Kappe, wodurch ein Gehäuse entfernt, das Motorkabel verkürzt und das Problem der reflektierten Wellen vollständig beseitigt wird.

Beide Routen erfordern die gleichen Eingaben vom Käufer: einen Drehmoment-Drehzahl-Punkt, einen Arbeitszyklus, eine Busspannung, eine Umgebungstemperatur und eine Montagezeichnung. Lieferanten, die auch Gehäuse bearbeiten und Kabelbäume im eigenen Haus montieren, können den Toleranzstapel von der Statorbohrung bis zur Keilnut des Steckverbinders in einem Zeichnungssatz festhalten, was bei den meisten Anpassungsprojekten Zeitverlust bedeutet.

Informationen zu einem Design mit geringer Rastung finden Sie unter Reihe bürstenloser Gleichstrommotoren mit geringem Rastmoment ; Beginnen Sie für eine versiegelte Verpackung mit der Elektronik an Bord mit dem bürstenlose Gleichstrommotoren mit integriertem Controller .

BL112 Low-Cogging 112 mm Brushless DC Motor

BL112 Low-Cogging 112 mm bürstenloser Gleichstrommotor Ein bürstenloser 112-mm-Gleichstrommotor mit geringem Rastmoment, Nennleistung 24 VDC und 600 W, geeignet für Präzisions-CNC- und Robotikanwendungen, die einen reibungslosen, vibrationsarmen Betrieb erfordern. Produkt anzeigen →

Praktische Fragen, die vor einem Probelauf auftauchen

Wie dimensioniere ich einen bürstenlosen Motor für einen 24-V-Bus?

Beginnen Sie mit einem Dauerdrehmoment bei der Betriebspunktdrehzahl und addieren Sie 20 Prozent. Wählen Sie dann eine Gegen-EMK-Konstante, sodass der Motor die Höchstgeschwindigkeit bei nicht mehr als 85 Prozent der minimalen Busspannung erreicht, die auf einer 24-V-Nennschiene etwa 20,4 V beträgt. Bei 0,05 V pro Radian und Sekunde begrenzt dies die Geschwindigkeit auf etwa 400 rad/s oder 3.800 U/min.

Kann ein sensorloser bürstenloser Motor unter Volllast starten?

Nein. Die Gegen-EMK ist im Stillstand Null, daher muss ein sensorloser Antrieb den Motor im offenen Regelkreis hochfahren, bis der Beobachter einrastet, typischerweise über 10 Prozent der Nenndrehzahl. Für volles Drehmoment bei Drehzahl Null spezifizieren Sie drei Hall-Latches oder einen Inkrementalgeber.

Welche IP-Schutzklasse sollte eine Reinigungsmaschine haben?

IP65 gemäß IEC 60529 deckt staubdichte Gehäuse mit Niederdruck-Wasserstrahlen aus jeder Richtung ab, was für die Lebensmittelverarbeitung und medizinische Reinigung geeignet ist. IP67 sorgt für kurzes Eintauchen. In beiden Fällen sind zunächst die Wellendichtung und die Kabelverschraubung zu qualifizieren, nicht das Gehäuse.

Spielt das Rastmoment bei einer Positionierungsachse eine Rolle?

Ja, wenn sich die Achse langsam bewegt oder die Auflösung des Encoders unter einer Bogenminute liegt. Bei einem Standarddesign mit 12 Nuten und 8 Polen beträgt die Rastung typischerweise 1 bis 5 Prozent des Nenndrehmoments, und eine Nut- und Polkombination mit geringer Rastung reduziert sie, ohne den Antrieb oder die Rahmengröße zu ändern.