Was ist ein bürstenloser Motor? Funktionsweise, Größen und Auswahlhilfe von BLDC-Motoren

Ein 24-V-Gebläsemotor, der nach 3.000 Stunden den Geist aufgibt, weil seine Kohlebürsten völlig verschlissen sind, kostet weitaus mehr als der Motor. Es kostet einen Serviceanruf, ein Ersatzgerät und eine Leitung, die in diesem Fall nicht genutzt wird.

Was ist ein bürstenloser Motor in einem Satz? Es handelt sich um einen Gleichstrommotor, der die Bürsten, den Kommutator und den elektrischen Gleitkontakt zwischen ihnen entfernt und die Schaltaufgabe an einen Controller und eine Reihe von Leistungstransistoren übergibt. Magnete, Wicklungen, Lager und eine Welle bleiben erhalten. Bei der Änderung findet die Kommutierung statt, und diese einzelne Änderung verändert Effizienz, Lebensdauer, Lärm und Kosten.

In diesem Artikel geht es darum, wie ein bürstenloser Motor funktioniert, was die Zahlen auf einem Datenblatt wirklich messen, wo die Technologie ihre Prämie verdient und wie man einen solchen Motor spezifiziert, ohne für Fähigkeiten zu bezahlen, die Ihre Anwendung nie nutzt.

Was ein bürstenloser Motor ist und was nicht

Ein bürstenloser Motor ist eine Permanentmagnet-Synchronmaschine, die von einer elektronischen Steuerung angetrieben wird; Das Wort beschreibt Kommutierung, nicht ein festes mechanisches Layout.

Drei Teile erledigen die Arbeit. Ein Rotor trägt Permanentmagnete, ein Stator trägt Kupferwicklungen und ein Antrieb schaltet den Strom zwischen diesen Wicklungen in einer zeitlichen Abfolge um. Nichts gleitet gegen irgendetwas, um Strom zu bewegen, daher gibt es keinen Bürstenstaub, keinen Kommutatorverschleiß und keine Lichtbogenbildung an einem Kontaktpunkt.

• Rotor: Permanentmagnete, meist Neodym-Eisen-Bor, manchmal Ferrit in kostenorientierten Designs.
• Stator: Kupferwicklungen in einem laminierten Stahlstapel oder eine selbsttragende kernlose Wicklung.
• Antrieb: Pflicht. Ein bürstenloser Motor ohne Controller ist ein Briefbeschwerer.

Was es nicht ist, ist genauso wichtig. Es handelt sich nicht um einen Wechselstrom-Induktionsmotor, der Rotorstrom induziert und keine Magnete benötigt. Es handelt sich nicht um einen Schrittmotor, der konstruktionsbedingt Schritte ausführt. Und es handelt sich nicht einfach um einen Gleichstrommotor, bei dem die Bürsten entfernt wurden, denn durch diese Löschung werden das elektromagnetische Design, der Wärmepfad und die Elektronik insgesamt verändert. Zulieferer wie Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. bauen die gleiche Grundmaschine mit einem Durchmesser von etwa 22 mm bis 130 mm im Innenrotor- und Außenrotorformat.

Funktionsweise eines bürstenlosen Motors: Positionserkennung und elektronische Kommutierung

Ein bürstenloser Motor erzeugt nur dann Drehmoment, wenn die Steuerung weiß, wo sich der Rotor befindet, da eine Wicklung die Magnete nur im richtigen Moment produktiv antreiben kann.

Ein Bürstenmotor löst dieses Problem mechanisch: Wenn sich der Rotor dreht, tauschen die Kommutatorsegmente die Spule aus, die Strom führt. Den gleichen Job erledigt ein bürstenloser Antrieb mit drei Halbbrücken und einem Schaltmuster. Frühe Antriebe nutzten drei Hall-Effekt-Sensoren zur Positionserfassung. Moderne sensorlose Antriebe lesen die Gegen-EMK in der stromlosen Wicklung aus und schließen aus ihrem Nulldurchgang auf die Position. Das Ziel ist in beiden Fällen identisch: Halten Sie das Statorfeld etwa 90 elektrische Grad vor dem Rotorfeld, und das Drehmoment folgt.

Sechsstufige und feldorientierte Steuerung

Viele Anbieter bieten beide Optionen an. Ein integrierter Controller BLDC-Motor kommt mit bereits abgestimmtem Antrieb und Maschine an, wodurch eine ganze Runde Kompatibilitätstests aus dem Projektplan entfällt.

Gebürstet vs. bürstenlos: Die Unterschiede, die ein Käufer tatsächlich spürt

Bürstenlose Motoren gewinnen an Effizienz, Lebensdauer und Steuerbarkeit, verlieren jedoch bei den Vorlaufkosten und der Komplexität der Elektronik. Diese beiden Kosten sind das ganze Argument.

Effizienz und Lebensdauer: Was die Zahlen hinter der Aussage wirklich sagen

Ein bürstenloser Motor ist nicht automatisch effizient; Die Fahrstrategie und der Lastpunkt entscheiden über die endgültige Zahl.

Ein gut gefertigter Bürstenmotor erreicht immer noch einen Spitzenwert von etwa 70 bis 75 Prozent. Eine bürstenlose Maschine mit sechsstufiger Kommutierung erreicht typischerweise etwa 82 Prozent und ein feldorientierter Antrieb schiebt 89 Prozent oder mehr. Die Lücke vergrößert sich bei Teillast, wo ein Festspannungs-Bürstenmotor gleichzeitig an Geschwindigkeit und Effizienz verliert, während ein Antrieb mit geschlossenem Regelkreis einfach den Arbeitspunkt hält.

Der zweite Gewinn ist thermisch. Bei einem Bürstenmotor liegt ein Teil der Verluste im Rotor, wo die Wärme am schwersten abzuführen ist. Bei einem bürstenlosen Motor sitzt das Kupfer im Stator und ist mit dem Gehäuse verschraubt, sodass der gleiche Verlust über den Rahmen erfolgt. Das ist bei versiegelten Produkten am wichtigsten: Bei einer IP65-Waschanlage oder einem Lüftermotor in einem Kühlschrank verändern zehn Watt eingesparter Verlust die Wicklungstemperatur, wodurch sich die Magnetstärke ändert, was die Drehmomentkonstante verschiebt. Der technische Fall hinter diesem Argument wird hier dargelegt Vergleich industrieller bürstenloser Gleichstrommotoren mit älteren Motortechnologien .

Rahmengröße, Spannung und Wicklung: Was die Leistung tatsächlich bestimmt

Zwei bürstenlose Motoren mit demselben 57-mm-Gehäuse können sich im Dauerdrehmoment um den Faktor drei unterscheiden, da Wicklungswindungen, Magnetqualität und Stapellänge über das Ergebnis entscheiden und nicht nur die Baugröße.

Kv und Kt beschreiben denselben Motor

Kv ist die Leerlaufgeschwindigkeit pro Volt in U/min pro Volt. Kt ist das Drehmoment pro Ampere in Newtonmetern pro Ampere. Es handelt sich um durch Konstanten skalierte Kehrwerte, sodass ein 100-kV-Motor eine Hochgeschwindigkeitsmaschine mit niedrigem Drehmoment ist und ein 30-kV-Motor das Gegenteil ist. Das Aufwickeln von mehr Windungen aus dünnerem Draht verringert Kv, erhöht Kt und erhöht den Widerstand, sodass der Motor bei gleichem Ausgangsdrehmoment heißer läuft. Dieser Handel ist die häufigste Ursache für Überhitzung bei ersten Prototypen.

Die Spannungsklasse bestimmt die Isolierung, nicht die Leistung

Ein 24-V-Motor und ein 310-V-Motor können identische Leistung liefern. Eine höhere Spannung bedeutet einen geringeren Strom bei gleicher Wattzahl, dünnerem Kupfer und einem kleineren Antrieb. Aus diesem Grund laufen Industriegebläse und Fahrmotoren mit 310 V, während Akku-Werkzeuge bei 12 bis 24 V bleiben. Was sie alle einschränkt, ist der thermische Spielraum: Die Wicklungsisolationsklasse, normalerweise Klasse F bei 155 °C, legt die Obergrenze fest, und der Arbeitszyklus bestimmt, wie nah man daran sitzt.

In der Mitte dieses Bereichs liefert ein 57-mm-Standard-BLDC wie die BL57-Serie typischerweise kontinuierlich 200 bis 500 W, je nach Wicklung und Kühlung.

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Wo bürstenlose Motoren in echten Geräten auftauchen

Bürstenlose Motoren dominieren drei Kategorien: alles, was batteriebetrieben ist, alles, was gegen Staub oder Wasser abgedichtet ist, und alles, was die Geschwindigkeit halten muss, während sich die Last ändert.

• Akku-Elektrowerkzeuge: 28-mm-Motoren mit Einschaltmoment und Zwangsluftkühlung in einem abgedichteten Gehäuse.
• HLK und Lüftung: EC-Lüftermotoren sorgen für einen konstanten Luftstrom, während der statische Druck über einen Filter variiert.
• Robotik und fahrerlose Transportfahrzeuge: 42-mm-Getriebemotoren, die pro Schicht tausende Male reversieren müssen.
• UAV-Antrieb: 6S- bis 24S-Akkus mit 1 kg bis 5 kg Schub pro Motor.
• Medizin und Körperpflege: Kompakte Servomotoren für Bohrmaschinen, bei denen Vibrationen den Bediener erreichen würden.

Handgeräte stellen eine weitere Einschränkung dar: Der Motor muss leicht und klein sein und darf nicht nur effizient sein. Ein kernloser bürstenloser Motor wie die WC-22-Serie entfernt das Eisen vom Rotor, wodurch Trägheit und Rastung reduziert werden, sodass ein kleines Werkzeug reibungslos startet und sofort auf die Last reagiert.

WC-22 22 mm kernloser bürstenloser Gleichstrommotor Ein kernloser 22-mm-BLDC-Motor für kompakte, platzbeschränkte Systeme, der reduziertes Gewicht, reibungslosen Betrieb und geringe Vibrationen bietet; nützlich für kleine Handheld-Designs. Produkt anzeigen →

So spezifizieren Sie einen bürstenlosen Motor, ohne zu viel zu bezahlen

Beginnen Sie mit drei Zahlen: Dauerdrehmoment bei Betriebsdrehzahl, Umgebungstemperatur, in der sich der Motor befindet, und Arbeitszyklus. Jede andere Spezifikation stellt eine Einschränkung dieser drei dar.

1. Geben Sie den kontinuierlichen Arbeitspunkt an, nicht den Spitzenwert. Ein Motor, der für eine Spitzenzeit von 30 Sekunden ausgelegt ist, kocht, wenn die Anwendung diese Last zehn Minuten lang hält.
2. Lassen Sie einen thermischen Spielraum und überprüfen Sie ihn. Wicklungen der Klasse F 155 C sind eine Obergrenze, kein Ziel; Der Betrieb einer 20 °C-Kühlbox verdoppelt die Lebensdauer der Isolierung ungefähr.
3. Wählen Sie den Antrieb vor dem Motor. Die sensorlose Steuerung kann unter Last unter etwa 10 Prozent der Nenndrehzahl nicht starten, daher sind für einen Start unter Last oder ein Halten bei Drehzahl Null Hall-Sensoren oder ein Encoder erforderlich.
4. Sperren Sie die mechanische Schnittstelle frühzeitig: Wellendurchmesser, Flanschmuster, Stecker und Getriebeübersetzung. Eine perfekte elektromagnetische Übereinstimmung schlägt bei einem Wellenunterschied von 2 mm fehl.

Bei kompakten Werkzeug- und Gebläsekonstruktionen sorgt ein 28-mm-Motor der W28-Serie für ein ausgewogenes Verhältnis von Drehmoment, Luftstrom und Bauraum, wobei noch Platz für ein Getriebe bleibt.

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Fordern Sie dann Daten an, die Sie überprüfen können: Leerlaufstrom, Wicklungswiderstand, Kt und eine Lastkurve, die an Ihrem Betriebspunkt erstellt wurde. Wenn ein Lieferant nur Kv angeben kann, hat er Ihre Anwendung nicht modelliert. Kundenspezifische Hersteller wie Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. entwerfen jedes Modell gemäß den Kundenspezifikationen und bieten ein Angebot anhand einer Ausschreibung an, die das richtige Format für diese Art von Auswahlarbeit darstellt.

Häufig gestellte Fragen zu bürstenlosen Motoren

Ist ein bürstenloser Motor AC oder DC?

Ein bürstenloser Motor wird mit Gleichstrom betrieben und wandelt diesen im Antrieb um. Der Strom in den Statorwicklungen wechselt, weil die Steuerung ihn schaltet, aber die Versorgung, die Magnetik und die Drehmomenterzeugung basieren auf Gleichstrom. Aus diesem Grund wird dieselbe Maschine auch als elektronisch kommutierter Motor oder ECM bezeichnet.

Wie lange hält ein bürstenloser Motor?

Normalerweise entscheidet die Lagerlebensdauer, nicht die Wicklungen. Hochwertige bürstenlose Motoren erreichen im industriellen Dauerbetrieb eine Lebensdauer von 10.000 bis 20.000 Stunden, abgedichtete Einheiten mit guten Lagern können diese Zeit sogar überschreiten. Beobachten Sie die Lagerschmierung, die Magnettemperatur und die Antriebskondensatoren. Bürstenverschleiß steht nicht auf der Liste, da keine Bürsten vorhanden sind.

Kann ein bürstenloser Motor ohne Controller laufen?

Nein. Ohne Antrieb schalten die Wicklungen nie und der Rotor kann kein kontinuierliches Drehmoment erzeugen. Der Controller ist Teil der Motorspezifikation und kein Zubehör, daher sind sein Nennstrom, seine Schaltfrequenz und sein Steuermodus genauso wichtig wie der Kv des Motors.

Benötigt ein bürstenloser Motor Hall-Sensoren?

Nicht immer. Sensorlose Antriebe funktionieren deutlich über etwa 10 Prozent der Nenngeschwindigkeit, wo die Gegen-EMF stark genug ist, um zuverlässig zu lesen. Darunter sind Hall-Sensoren oder ein Encoder die zuverlässige Antwort, wenn es um einen Start unter Last, einen langsamen Tippvorgang oder ein direkt angetriebenes Gelenk geht, das seine Position bei Nullgeschwindigkeit halten muss.