Was ist ein bürstenloser Motor? BLDC-Kommutierung, Drehmoment und Dimensionierung erklärt

Ein bürstenloser Motor ist ein Motor, der den Wicklungsstrom elektronisch schaltet, anstatt dass Kohlebürsten an einem Kommutator reiben. Wenn Sie das Bürstenpaar wegnehmen, bleiben drei Probleme bestehen: Bürstenstaub, Bürstenverschleiß und die Lichtbogenbildung, die Bürstenmotoren von versiegelten oder funkenempfindlichen Geräten fernhält. An ihre Stelle treten ein Rotorpositionssensor, ein dreiphasiger Wechselrichter und eine Reihe von Spezifikationen, die beim ersten Mal stimmen müssen.

Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. entwickelt und baut seit 2018 intern bürstenlose Gleichstrommotoren in einem Rahmenbereich von 28 mm bis 130 mm. Die folgenden Hinweise gehen auf die Fragen ein, die tatsächlich in einer Ausschreibung auftauchen: Was ist die Maschine, was bedeuten die Datenblattkonstanten und wo ist ein Bürstenmotor immer noch die günstigere richtige Antwort?

Was ein bürstenloser Motor ist, mechanisch und elektrisch

Ein bürstenloser Motor ist eine Permanentmagnet-Synchronmaschine, deren Wicklungen auf dem Stator sitzen und deren Magnete rotieren, wobei ein elektronischer Antrieb den Strom in jeder Phase im Einklang mit der Rotorposition umkehrt.

Bei einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor dreht sich die Wicklung mit dem Rotor, ein segmentierter Kommutator kehrt den Strom in jeder Spule zweimal pro Umdrehung um und Kohlebürsten übertragen beim Gleiten den vollen Ankerstrom. Ein bürstenloser Motor kehrt dieses Layout um. Das Kupfer wandert in die Statornuten, der Rotor wird zu einer Magnetbaugruppe und der Wechselrichter übernimmt die Umkehrung. Der Strom fließt nie über einen Schleifkontakt, daher muss bei Wartungsintervallen kein Kommutatorfilm gewartet und die Bürstenlänge überprüft werden.

BLDC und PMSM beschreiben dieselbe Hardwarefamilie

Die beiden Namen beziehen sich auf die Form und das Kommutierungsschema der Gegen-EMK, nicht auf unterschiedliche Maschinen. Als BLDC-Motor wird ein trapezförmiger Gegen-EMK-Antrieb mit sechsstufiger Kommutierung verkauft; Als PMSM wird eine sinusförmige Gegen-EMK mit sinusförmiger oder feldorientierter Steuerung verkauft. Konzentrierte Wicklungen erzeugen normalerweise die Trapezform und verteilte Wicklungen die Sinusform, und eine Lamelle kann beides bedienen.

Die fünf Teile, die über die Leistung entscheiden

Die Leistung des bürstenlosen Motors wird durch fünf Komponenten bestimmt: Lamellenstahl und Stapellänge, Magnetqualität, Wicklungswindungen und Drahtstärke, Rückmeldung der Rotorposition und der Dauerstrom, den der Antrieb liefern kann.

• Statorstapel. Lamellen aus 0,35 mm bis 0,50 mm dickem Siliziumstahl; Dünnerer Stahl reduziert Wirbelstromverluste und hält die Wicklung bei gleichem Ausgangsdrehmoment kühler.
• Magnete. Gesintertes NdFeB erreicht eine Remanenz von etwa 1,2 T bis 1,4 T gegenüber etwa 0,4 T für Ferrit, und SH-Sorten halten die Arbeitstemperatur bei etwa 150 °C.
• Wicklung. Drehungen stellen die Drehmomentkonstante und die Leerlaufdrehzahl ein; Die Drahtstärke legt den Kupferverlust fest. Der gleiche Stator mit einer anderen Wicklung ist ein anderer Motor.
• Rückmeldung. Drei Hall-Sensoren im Abstand von 120 elektrischen Grad, ein Inkrementalgeber oder sensorlose Schätzung aus Nulldurchgängen der Gegen-EMF.
• Fahren. Sechs MOSFETs in drei Halbbrücken, geschaltet mit 16 kHz bis 20 kHz, damit die PWM über dem hörbaren Bereich bleibt.

Wenn die Last wellenempfindlich ist, ist eine Konstruktionsvariante wichtiger als die anderen. Bei einem nutenlosen Design ist die Wicklung ein selbsttragender Becher ohne den Magneten zugewandte Eisenzähne, wodurch das Rastmoment beseitigt und die Rotorträgheit verringert wird. Der Kompromiss besteht darin, dass das Drehmoment pro Volumeneinheit geringer ist als bei einem Stator mit Eisenkern und demselben Durchmesser.

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Gebürstet vs. bürstenlos: Was sich tatsächlich ändert

Ein bürstenloser Motor hält bei gleichem Arbeitszyklus länger als ein Bürstenmotor, da er keinen elektrischen Schleifkontakt hat, aber er kostet mehr und dreht ohne Antrieb keine einzige Umdrehung.

Typische Volllast-Wirkungsgradbereiche für 50-W- bis 500-W-Motoren aus Herstellerdatenblättern. Vergleichen Sie nur bei gleicher Rahmengröße und gleicher Wärmeklasse.

Die Effizienzlücke ist ein Nebeneffekt, nicht das Hauptargument. Das Hauptargument ist das Wartungsintervall: Der Wartungsplan eines Bürstenmotors wird durch die Bürstenlänge bestimmt, während der Wartungsplan eines bürstenlosen Motors durch die Lagerlebensdauer bestimmt wird.

Drehmoment, Geschwindigkeit und die Konstanten, die wichtig sind

Das Drehmoment in einem bürstenlosen Motor ist proportional zum Strom, die Geschwindigkeit wird durch die Gegen-EMK bestimmt und in SI-Einheiten entspricht die Drehmomentkonstante Kt in Nm/A der Gegen-EMK-Konstante Ke in V pro rad/s.

Diese Gleichheit ist die nützlichste Zeile in jedem Datenblatt. Wenn ein Lieferant Ke mit 12 V pro 1.000 U/min angibt, dividieren Sie durch 104,72, um umzurechnen: 12 / 104,72 = 0,1146 V pro rad/s, also beträgt Kt 0,1146 Nm/A und der Motor benötigt 5,2 A drehmomenterzeugenden Strom, um 0,6 Nm zu halten.

Die Wahl der Wicklung tauscht Geschwindigkeit gegen Strom. Durch die Verdoppelung der Windungen wird Kt verdoppelt und die Leerlaufdrehzahl bei gleicher Busspannung halbiert. Da das gleiche Drehmoment dann die Hälfte des Stroms benötigt, halbiert sich auch der Kupferverlust bei diesem Drehmoment ungefähr. Die Grenze ist die Schlitzfüllung: Ab einem Punkt passt der Draht nicht mehr und die Verstärkung verschwindet.

Cogging ist die Spezifikation, die übersehen wird. Nut- und Polkombinationen wie 12 Nuten und 10 Pole sorgen dafür, dass das Rasten konstruktionsbedingt gering bleibt, und die Magnetformung oder -schrägstellung steigert es noch weiter. Handelt es sich bei der Last um einen Präzisionspositionierer oder ein Handwerkzeug, ist der Unterschied sowohl hörbar als auch messbar.

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Wenn ein Getriebe und nicht der Motor die Drehmomentobergrenze festlegt, ist die Serie bürstenloser Gleichstrommotoren mit hohem Drehmoment kombiniert die gleiche Statorplattform mit Planeten-, Schnecken- und harmonischen Untersetzungsgetrieben.

Sensorische, sensorlose, sechsstufige und feldorientierte Steuerung

Die sensorgesteuerte Steuerung funktioniert bei Drehzahl Null mit zusätzlichem Verkabelungsaufwand, während bei der sensorlosen Steuerung der Sensorkabelbaum entfernt wird, eine belastete Welle jedoch nicht aus dem Stillstand gestartet werden kann, da die Gegen-EMK bei Drehzahl Null Null ist.

Die sechsstufige Kommutierung schaltet die Brücke pro elektrischem Zyklus durch sechs Zustände und eignet sich für Trapezmaschinen und kostengünstige Lüfterantriebe. Die feldorientierte Steuerung wandelt Phasenströme in einen rotierenden Rahmen um, hält den D-Achsen-Strom auf Null und liefert ein gleichmäßigeres Drehmoment für die Servoarbeit. Ein wachsender Anteil der Anwendungen verwendet einen Motor mit einem Integrierter Controller , sodass der Wechselrichter und die Wicklungen als eine Einheit aufeinander abgestimmt und getestet werden, anstatt dass sie auf dem Prüfstand getestet werden müssen.

Rahmen, Spannungen und was bei einer Angebotsanfrage anzugeben ist

Für eine Anfrage nach einem bürstenlosen Motor sind acht Zahlen erforderlich: Rahmendurchmesser, Busspannung, Dauerdrehmoment, Spitzendrehmoment und seine Dauer, Geschwindigkeit, Arbeitszyklus, Umgebungstemperatur und IP-Schutzart.

BL57 57 mm bürstenloser Gleichstrommotor Ein kompakter bürstenloser 57-mm-Gleichstrommotor, der für hohe Effizienz, hohe Leistungsdichte, lange Lebensdauer und reduzierte Geräuschentwicklung bei Bewegungsanwendungen ausgelegt ist. Produkt anzeigen →

Zwei Zahlen fehlen bei den meisten Erstanfragen und verursachen die meiste Nacharbeit: Einschaltdauer und Umgebungstemperatur. Ein Motor mit einer kontinuierlichen Nenntemperatur von 25 °C hält in einem 60 °C-Gehäuse nicht das gleiche Drehmoment, und die Hot-Spot-Grenze der Isolationsklasse entscheidet darüber, wie viel von diesem Spielraum überlebt.

Wenn ein bürstenloser Motor die falsche Antwort ist

Ein bürstenloser Motor ist die falsche Wahl, wenn in der Maschine kein Platz für einen Antrieb vorhanden ist, wenn die Umgebungstemperatur am Motor etwa 150 °C übersteigt oder wenn die Jahresmenge zu gering ist, um die Elektronik zu amortisieren.

• Leitungsgespeiste Anwendungen. Ein Motor, der ohne Konverter direkt an einer Steckdose betrieben werden muss, gehört zur Familie der Wechselstrom-Induktions- oder Universalmotoren.
• Heiße Umgebungen. Sowohl Magnete als auch Hall-Geräte verlieren oberhalb von etwa 150 °C an Spielraum; Ein Bürstenmotor mit der richtigen Bürstensorte kann näher an der Wärmequelle platziert werden.
• Sehr geringe Lautstärke. Zwei Leitungen und ein Schalter bleiben bei einigen hundert Einheiten pro Jahr günstiger als dreiphasige Leitungen plus Treiber.

Fragen, die Ingenieure vor der Spezifikation stellen

Ist ein bürstenloser Motor AC oder DC?

Beide Beschreibungen können richtig sein. Die Maschine ist synchron und der Stator sieht den vom Wechselrichter erzeugten Wechselstrom, während der Eingang zum Antrieb normalerweise Gleichstrom ist, weshalb die Familie als bürstenloser Gleichstrom bezeichnet wird. Ein bürstenloser 230-V-AC-Lüftermotor trägt einfach einen Gleichrichter und einen Wechselrichter im selben Gehäuse.

Was begrenzt die Lebensdauer eines bürstenlosen Motors?

Lager, keine Wicklungen. Da keine Bürsten verschleißen, wird das Lager zum Serviceartikel und seine Lebensdauer wird nach ISO 281 als L10-Bewertung aus Last und Geschwindigkeit berechnet. Industriekonstruktionen für den Dauerbetrieb zielen üblicherweise auf eine Lagerlebensdauer von 20.000 bis 40.000 Stunden ab.

Kann ein bürstenloser Motor ohne Hall-Sensoren laufen?

Ja, wenn die Last im Stillstand nicht das volle Drehmoment erfordert. Sensorlose Antriebe schätzen die Rotorposition anhand der Nulldurchgänge der Gegen-EMK, was erfordert, dass sich der Rotor mit etwa 5 % der Nenndrehzahl oder schneller dreht. Lüfter, Pumpen und Kompressoren sind routinemäßige sensorlose Anwendungen; Robotik und Positionierer sind es nicht.

Warum braucht ein bürstenloser Motor überhaupt einen Controller?

Die Wicklungen müssen in der Reihenfolge der Rotorposition geschaltet werden, und diese Reihenfolge ist die Aufgabe der Steuerung. Ohne sie gibt es kein rotierendes Feld, also kein Drehmoment. Der Controller verfügt außerdem über Strombegrenzungen, den Drehzahlregelkreis und Schutzfunktionen, weshalb Antrieb und Motor normalerweise gemeinsam spezifiziert werden.