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Ein Motor wandelt zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie um. Es gibt verschiedene Arten von Motoren, die häufig verwendet werden. Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine hervorragende Steuerbarkeit aus und werden in vielen Anwendungen eingesetzt.
Bürstenloser Motor vs. Bürstenmotor - Vergleich
Es ist unmöglich, nicht mit dieser wichtigen Unterscheidung zu beginnen. In zunehmendem Maße kommen BLDC-Motoren zum Einsatz, die in vielen Bereichen die Bürstenmotoren verdrängen und die Mechanismen ersetzen, die uns seit mehr als einem Jahrhundert begleiten. Beginnen wir mit dem Aufbau der beiden Motoren. Ein Bürstenmotor besteht aus:
- Stator – eine externe Komponente, die den Rotor umgibt und Magnete mit einem konstanten Magnetfeld enthält.
- Die Wicklungen – die um den Rotor gewickelt sind – “verhalten” sich wie Magnete, wenn Strom fließt und erzeugen ein Magnetfeld.
- Rotor – dreht sich während des Betriebs um seine eigene Achse.
- Bürsten – befinden sich an der Rotorachse und stellen den elektrischen Kontakt mit dem Kommutator her.
- Kommutator – schaltet die Stromrichtung in den Wicklungen um und ändert so die Pole des Magnetfelds.
Wenn eine elektrische Ladung durch die Wicklungen fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt. Das von den Wicklungen erzeugte Feld interagiert mit dem Feld der Magneten im Stator. Die unidirektionalen Pole stoßen sich gegenseitig ab und setzen den Rotor in Bewegung. Er dreht sich aus seiner Ausgangsposition um 180 Grad und seine weitere Drehung erfordert eine Umkehrung des Magnetfelds. Dies wird durch einen Kommutator ermöglicht, der sich mit dem Rotor bewegt. Durch Umschalten der Stromrichtung in der Wicklung kehrt sich das Magnetfeld um und ermöglicht so eine volle 360-Grad-Drehung.
Was den Aufbau und den Betrieb eines BLDC-Motors betrifft, so ist er in gewisser Weise das Gegenteil eines Bürstenmotors. Auf dem Rotor befinden sich Permanentmagnete und die Wicklungen befinden sich im Stator des Motors und bilden Spulen. Die einströmende Ladung verändert das Magnetfeld auf den Spulen und setzt den Rotor in Bewegung. Diese Anordnung bedeutet, dass es im Motor keinen Kommutator und keine Bürsten geben muss, da wir den Strom nicht auf den Rotor übertragen müssen. Der Betrieb eines bürstenlosen Motors erfordert einen Controller, der die Richtung und Intensität des elektrischen Ladungsflusses präzise steuert.
Bürstenloser Motor - was ist das?
Ingenieure stehen vor der Herausforderung, elektrische Geräte zu entwerfen, die mechanische Aufgaben erfüllen. Ihr erster Schritt besteht darin, zu überlegen, wie elektrische Signale in Energie umgewandelt werden. Motoren gehören zu den Geräten, die elektrische Signale in Bewegung umwandeln, d.h. sie tauschen elektrische Energie gegen mechanische Energie. Wie der Name schon sagt, verwenden bürstenlose Gleichstrommotoren keine Bürsten.
Bei Bürstenmotoren leiten diese Bürsten den Strom über den Kommutator an die Spulen auf dem Rotor. Wie also leitet ein bürstenloser Motor Strom an die Spulen auf dem Rotor? Das geschieht nicht, weil sich die Spulen nicht auf dem Rotor befinden. Stattdessen ist der Rotor ein Permanentmagnet – die Spulen drehen sich nicht, sondern sind auf dem Stator fixiert. Da sich die Spulen nicht bewegen, sind weder Bürsten noch ein Kommutator erforderlich.
Bei einem Bürstenmotor wird die Rotation durch die Steuerung der von den Spulen auf dem Rotor erzeugten Magnetfelder erreicht, während das von den stationären Magneten erzeugte Magnetfeld konstant bleibt. Um die Geschwindigkeit zu ändern, muss die Spannung der Spulen geändert werden. Bei einem BLDC-Motor dreht sich der Permanentmagnet. Die Drehung wird durch die Änderung der Richtung der von den umgebenden stationären Spulen erzeugten Magnetfelder erreicht. Um die Drehung zu steuern, passen wir die Stärke und Richtung des Stroms in diesen Spulen an.
Vorteile der bürstenlosen BLDC-Motoren
Der erste Vorteil eines bürstenlosen Motors ist die verbesserte Effizienz. BLDC-Motoren können kontinuierlich mit maximaler Rotationskraft (Drehmoment) lenken, während Bürstenmotoren nur an bestimmten Drehpunkten ein maximales Drehmoment erreichen. Damit ein Bürstenmotor das gleiche Drehmoment wie ein bürstenloses Modell liefern kann, müsste er größere Magnete verwenden. Daher können selbst kleine BLDC-Motoren eine beachtliche Leistung liefern.
Der zweite große Vorteil – der mit dem ersten zusammenhängt – ist die Steuerbarkeit. BLDC-Motoren können durch Rückkopplungsmechanismen so gesteuert werden, dass sie genau das gewünschte Drehmoment und die gewünschte Geschwindigkeit liefern. Eine präzise Steuerung wiederum reduziert den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung und verlängert im Falle von batteriebetriebenen Motoren deren Lebensdauer. Da sie keine Bürsten verwenden, bieten BLDC-Motoren auch eine hohe Lebensdauer und geringe elektrische Geräusche. Bei Bürstenmotoren verschleißen die Bürsten und der Kommutator durch den ständigen beweglichen Kontakt und erzeugen außerdem Funken an der Kontaktstelle. Elektrische Störungen entstehen vor allem durch die starken Funken, die normalerweise in den Bereichen entstehen, in denen die Bürsten durch die Schlitze im Kommutator laufen. Aus diesem Grund werden BLDC-Motoren oft in Anwendungen bevorzugt, bei denen die Vermeidung von elektrischen Störungen wichtig ist.
Anwendungen für bürstenlose BLDC-Motoren
Wir wissen, dass BLDC-Motoren einen hohen Wirkungsgrad, gute Regelbarkeit und eine lange Lebensdauer haben. Wofür sind sie also geeignet? Aufgrund dieser Kernkompetenzen werden sie häufig in Geräten mit kontinuierlichem Betrieb eingesetzt. Sie werden seit langem in Waschmaschinen, Klimaanlagen und einer Vielzahl elektronischer Geräte eingesetzt – zunehmend auch in Ventilatoren, wo ihr hoher Wirkungsgrad zu einer deutlichen Senkung des Energieverbrauchs beiträgt.
Neben den Bereichen Haushaltsgeräte und Kleinelektronik sind sie auch in Elektrofahrzeugen wie Autos, Motorrädern, Rollern und Scootern zu finden. In der Luftfahrt, insbesondere bei Drohnen und unbemannten Flugzeugen, sind bürstenlose Motoren aufgrund ihrer Effizienz und Leichtigkeit die bevorzugte Wahl. Sie erreichen ihren Höhepunkt in der Konstruktionsrobotik, nicht nur im Hobbybereich, sondern auch in der Industrie – Manipulatoren (Industrie- und Laborroboterarme), mobile und Nutzroboter verwenden sie. Nichts spricht gegen ihren Einsatz im Bereich der Elektrowerkzeuge. Dazu gehören Schraubendreher für Haushalt und Garten, Sägen, Schleifmaschinen oder Rasenmäher.
