Was ist ein bürstenloser Gleichstrommotor und wie funktioniert er?

Der bürstenlose Gleichstrommotor, kurz BLDC-Motor, der auch als elektronisch kommutierter Motor (ECM- oder EC-Motor) oder synchroner Gleichstrommotor bezeichnet wird, ist ein Synchronmotor, der mit einer Gleichstromquelle betrieben wird. Unter Beibehaltung der überlegenen Drehzahlregelungsleistung herkömmlicher Gleichstrommotoren überwinden bürstenlose Gleichstrommotoren eine Reihe von Problemen, die früher mit mechanischer Kommutierung und Bürsten verbunden waren, und werden nun in allen Bereichen der Gesellschaft besser genutzt. Von einfachen Bohrgeräten bis hin zu komplexen Industrierobotern verwenden viele Maschinen und Geräte bürstenlose Gleichstrommotoren, um elektrische Energie in Drehbewegungen umzuwandeln.

Das Funktionsprinzip von bürstenlosen Gleichstrommotoren

Die Hauptkomponenten eines bürstenlosen Gleichstrommotors bestehen aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator ist feststehend und der Rotor ist drehbar. Am Rotor sind Dauermagnete angebracht und der Stator ist mit Wicklungen umwickelt.

Die stromführenden Wicklungen erzeugen ein Magnetfeld. Die Wicklungen werden dann von den Magnetpolen auf der einen Seite abgestoßen und von den Polen auf der anderen Seite angezogen , so dass sie sich unter dieser Wirkung drehen. Während der Drehung wird ein Rückwärtsstrom in die Wicklung eingespeist, damit sich der Motor weiter dreht. Dieser Vorgang findet sowohl bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren als auch bei bürstenlosen Gleichstrommotoren statt.

Der einzige Unterschied liegt in der Art und Weise, wie diese beiden Motoren den Strom an den Drahtwicklungen schalten. Bei einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor ist dies ein mechanischer Vorgang, der durch einen Kommutator mit Bürsten ausgelöst wird. Durch Veränderung der Position der Bürsten lässt sich die Richtung des Stroms ändern. Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor werden keine Bürsten verwendet, sondern eine elektronische Kommutierung, um die Richtung des Stromflusses zu ändern. Der Regler des bürstenlosen Gleichstrommotors überwacht die Position der Dauermagneten auf dem Rotor mit Hilfe von Sensoren (z. B. Hall-Effekt-Sensoren) oder ohne Sensoren, um die Stromrichtung umzuschalten und die Wicklungen des Stators zum richtigen Zeitpunkt zu erregen. Die meisten bürstenlosen Gleichstrommotoren verwenden drei in den Stator eingebettete Hallsensoren, um die Position des Rotors zu erfassen.

Typen von bürstenlosen Gleichstrommotoren

Bürstenlose Gleichstrommotoren können in zwei Typen unterteilt werden: Außenläufer und Innenläufer, abhängig von der Position des Stators. Diejenigen, bei denen sich der Stator auf der Innenseite und der Rotor auf der Außenseite befindet, werden als Außenläufer bezeichnet. Diejenigen, bei denen sich der Rotor in der Mitte des Motors befindet und die Statorwicklungen um den Rotor herum angeordnet sind, werden als Innenläufer bezeichnet.

Es gibt zwei verschiedene Typen von Wicklungsanschlüssen für dreiphasige bürstenlose Gleichstrommotoren. Bei der Y- oder Sternschaltung treffen sich die Wicklungen in der Mitte und bilden einen Y-Stern. Werden die Wicklungen in Reihe geschaltet, um ein Dreieck zu bilden, spricht man von einer Dreieckschaltung (Δ).

Vor- und Nachteile von bürstenlosen Gleichstrommotoren

Bürstenlose Gleichstrommotoren haben die Vorteile eines geringen Temperaturanstiegs, eines geringen Geräuschpegels, eines hohen Drehmoments, einer hohen Drehzahl, einer hohen Zuverlässigkeit, einer guten Stabilität, eines geringen Energieverbrauchs, einer Funkenfreiheit und damit einer Eignung für explosionsgefährdete Bereiche, einer langen Lebensdauer und einer allgemeinen Verringerung der elektromagnetischen Interferenz (EMI). Bürstenlose Gleichstrommotoren können durch Konduktion gekühlt werden und benötigen keine Luftstromkühlung innerhalb des Motors.

Der Nachteil eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist, dass er teurer ist. Er erfordert einen kostspieligeren Regler, und der Drehzahlregler des Motors ist komplexer. Die maximale Leistung, die einem bürstenlosen Gleichstrommotor zugeführt werden kann, wird fast ausschließlich durch die Hitze begrenzt. Übermäßige Hitze kann die Magnete schwächen und die Isolierung der Wicklungen beschädigen.