Bürstenloser Gleichstrommotor: Gerätefunktionen, Betriebssteuerung, Anwendung

Das Funktionsprinzip eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BKDP) ist seit langem bekannt und bürstenlose Motoren waren schon immer eine interessante Alternative zu herkömmlichen Lösungen. Trotzdem haben solche elektrischen Maschinen erst im 21. Jahrhundert breite Anwendung in der Technik gefunden. Ausschlaggebend für die flächendeckende Umsetzung war die mehrfache Kostenreduzierung der Antriebsregelelektronik des BDKP.

Probleme mit Kollektormotor

Grundsätzlich besteht die Aufgabe eines Elektromotors darin, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Der Konstruktion elektrischer Maschinen liegen zwei physikalische Hauptphänomene zugrunde:

1. Elektrische und magnetische Felder sind miteinander verbunden. Das heißt, jede sich bewegende Ladung erzeugt ein Magnetfeld und dementsprechend können Magnetfelder eine Potentialdifferenz erzeugen.
2. Die Magnete interagieren miteinander. Die Arbeit aller Elektromotoren basiert auf dem Zusammenwirken von Magneten. Einige von ihnen sind konstant, andere sind eine Spule, in der ein magnetisches Feld induziert wird, indem ein elektrischer Strom durch die Schleifen fließt.
   instagram viewer

Der Motor ist so konstruiert, dass die an jedem der Magneten erzeugten Magnetfelder immer miteinander interagieren und den Rotor drehen. Ein herkömmlicher Gleichstrommotor besteht aus vier Hauptteilen:

• Stator (stationäres Element mit Magnetring);
• Anker (rotierendes Element mit Wicklungen);
• Kohlebürsten;
• Kollektor.

Diese Konstruktion sorgt für die Drehung des Ankers und des Kollektors auf derselben Welle relativ zu den feststehenden Bürsten. Der Strom fließt von der Quelle durch die federbelasteten Bürsten für guten Kontakt zum Kommutator, der den Strom zwischen den Ankerwicklungen verteilt. Das dort induzierte Magnetfeld interagiert mit den Statormagneten, wodurch der Stator in Rotation versetzt wird.

Der Hauptnachteil des herkömmlichen Motors besteht darin, dass ein mechanischer Kontakt an den Bürsten nicht ohne Reibung erreicht werden kann. Mit zunehmender Geschwindigkeit manifestiert sich das Problem stärker. Die Verteilerbaugruppe nutzt sich mit der Zeit ab und ist außerdem anfällig für Lichtbögen und kann die Umgebungsluft ionisieren. Somit ist trotz der Einfachheit und der geringen Herstellungskosten solche Elektromotoren haben einige unüberwindbare Nachteile:

• Abnutzung von Bürsten;
• elektrische Störungen durch Lichtbogen;
• Höchstgeschwindigkeitsbegrenzungen;
• Schwierigkeiten beim Kühlen eines rotierenden Elektromagneten.

Das Aufkommen der Prozessortechnologie und der Leistungstransistoren ermöglichte es Entwicklern, die mechanische Schalteinheit aufzugeben und die Rolle von Rotor und Stator in einem Gleichstrommotor zu ändern.

Das Funktionsprinzip des BDKP

Bei einem bürstenlosen Elektromotor übernimmt im Gegensatz zu seinem Vorgänger ein elektronischer Wandler die Rolle eines mechanischen Schalters. Dadurch ist es möglich, das "Umgekehrte" Schema des BDKP auszuführen - seine Wicklungen befinden sich auf dem Stator, wodurch kein Kollektor erforderlich ist.

Mit anderen Worten, der wesentliche grundlegende Unterschied zwischen der klassischen Engine und der BDKP besteht darin, dass anstelle von stationäre Magnete und rotierende Spulen, letztere besteht aus stationären Wicklungen und rotierenden Magnete. Trotz der Tatsache, dass das Schalten selbst darin ähnlich erfolgt, ist seine physikalische Umsetzung in bürstenlosen Antrieben viel komplizierter.

Das Hauptproblem ist die präzise Steuerung des bürstenlosen Motors unter der Annahme der richtigen Reihenfolge und Häufigkeit des Schaltens einzelner Abschnitte der Wicklungen. Dieses Problem ist nur dann konstruktiv lösbar, wenn die aktuelle Position des Rotors kontinuierlich ermittelt werden kann.

Die zur Verarbeitung durch die Elektronik benötigten Daten werden auf zwei Wegen gewonnen.:

• Erfassung der absoluten Position der Welle;
• durch Messen der in den Statorwicklungen induzierten Spannung.

Um die Steuerung nach dem ersten Verfahren zu implementieren, werden meistens entweder optische Paare oder am Stator befestigte Hallsensoren verwendet, die auf den magnetischen Fluss des Rotors reagieren. Der Hauptvorteil solcher Systeme zur Erfassung von Informationen über die Position der Welle ist ihre Leistungsfähigkeit auch bei sehr niedrigen Drehzahlen und im Ruhezustand.

Die sensorlose Steuerung zur Schätzung der Spannung in den Spulen erfordert mindestens eine minimale Rotordrehung. Daher ist bei solchen Konstruktionen ein Modus zum Starten des Motors bis zu Umdrehungen vorgesehen, bei denen die Spannung an den Wicklungen sein kann ausgewertet und Ruhe wird durch Analyse der Wirkung des Magnetfeldes auf die durchlaufenden Teststromimpulse getestet Spulen.

Trotz aller oben genannten Konstruktionsschwierigkeiten erobern bürstenlose Motoren alles große Popularität aufgrund seiner Leistungsfähigkeit und des unzugänglichen Krümmersatzes Eigenschaften. Eine kurze Liste der Hauptvorteile des BDKP gegenüber den klassischen sieht wie folgt aus:

• kein mechanischer Energieverlust durch Bürstenreibung;
• vergleichsweise Geräuschlosigkeit der Arbeit;
• leichte Beschleunigung und Verzögerung durch geringe Rotorträgheit;
• präzise Rotationskontrolle;
• die Möglichkeit, die Kühlung aufgrund der Wärmeleitfähigkeit zu organisieren;
• Fähigkeit, mit hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten;
• Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.

Moderne Anwendung und Perspektiven

Es gibt viele Geräte, für die eine Erhöhung der Betriebszeit entscheidend ist. Bei solchen Geräten ist der Einsatz von BDKP trotz relativ hoher Kosten immer gerechtfertigt. Dies können Wasser- und Kraftstoffpumpen, Turbinen zur Kühlung von Klimaanlagen und Motoren usw. sein. Bürstenlose Motoren werden in vielen Elektrofahrzeugmodellen verwendet. Heutzutage konzentriert sich die Automobilindustrie ernsthaft auf bürstenlose Motoren.

BDKP sind ideal für kleine Antriebe, die unter schwierigen Bedingungen oder mit hoher Genauigkeit arbeiten: Zuführungen und Förderbänder, Industrieroboter, Positioniersysteme. Es gibt Bereiche, in denen bürstenlose Motoren unangefochten dominieren: Festplatten, Pumpen, leise Lüfter, Kleingeräte, CD/DVD-Laufwerke. Geringes Gewicht und hohe Leistung haben die BDKP auch zur Basis für die Herstellung moderner Akku-Handwerkzeuge gemacht.

Wir können sagen, dass es im Bereich der elektrischen Antriebe erhebliche Fortschritte gibt. Der anhaltende Preisverfall digitaler Elektronik hat zu einem Trend zur weit verbreiteten Verwendung von bürstenlosen Motoren als Ersatz für traditionelle Motoren geführt.