Von: Jeremy Cook
Die Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten von DC-Motoren ohne Bürsten (BLDCs)
BLDCs, auch als DC-Motoren ohne Bürsten bezeichnet, weisen im Vergleich zu ihren Gegenstücken mit Bürsten eine Reihe von Vorteilen auf. Bürstenlose Motoren werden in Drohnen, Elektrowerkzeugen, Konsumgütern, Verpackungsausrüstung, Apparaten, medizinischen Geräten und auf weiteren Anwendungsgebieten eingesetzt. In diesem Beitrag untersuchen wir die relativen Vorteile und Nachteile von BLDC-Motoren im Vergleich zu anderen Motortechnologien. Wir erfahren auch, wo wir sie in Aktion sehen und wie wir sie nutzen können.
Was ist ein BLDC-Motor?
In DC-Motoren ohne Bürsten wird sequenziell eine Anordnung elektromagnetischer Spulen am Stator (feststehender Teil) des Motors erregt, um an den am Rotor (rotierender Teil) des Motors angebrachten Permanentmagneten eine Kraft zu erzeugen. Die Statorspulen müssen von einem spezialisierten Treiber in einem bestimmten Muster mit variierenden elektrischen – und daher magnetischen – Feldrichtungen erregt werden. Bei gleicher gegebener Last und Drehzahl arbeiten BLDC-Motoren deutlich effizienter als DC-Motoren mit Bürsten.
Um dieses Muster ausführen zu können, muss dem Treiber zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Position des Rotors bekannt sein. BLDC-Motoren werden in Regel mit einem geschlossenen Regelkreis gesteuert, der in der Regel mittels Halleffektgeber oder durch Erfassen der Gegen-EMK arbeitet. Die Wellendrehzahl kann mit hoher Genauigkeit durch Ändern der Geschwindigkeit der Spulensequenz geregelt werden. BLDC-Motoren und Schrittmotoren weisen einige gemeinsame Merkmale auf. Doch während BLDCs auf hohe Drehzahlen ausgelegt, sind Schrittmotoren mit ihrem offenen Regelkreis auf akkurate Stellbewegungen ausgelegt.
Arten von BLDC-Motoren
Die beiden Hauptarten von BLDC-Motoren sind die Innenläufer und die Außenläufer.
- Bei den Außenläufer-BLDCs sind die Dauermagnete am Außenteil angebracht, der sich mit der Welle dreht. Außenläufer-BLDCs liefern bei gegebener Größe mehr Drehmoment und arbeiten mit geringerer Drehzahl als Innenläufer. Die Elektromagnete sind am inneren Statorteil angeordnet. Sie sind nicht so gut zu kühlen wie die Gegenstücke der Innenläufer und das Gehäuse bietet weniger Schutz vor Umwelteinflüssen.
- Bei Innenläufer-BLDCs sind die Elektromagnete in einem feststehenden Außengehäuse angeordnet und die Elektromagnete am innenliegenden Rotortteil. Bei gegebener Größe laufen Innenläufer mit höher Drehzahl, liefern aber weniger Drehmoment als Außenläufer. Als Vorteil der Innenläufer sind diese besser vor Umwelteinflüssen geschützt und können besser gekühlt werden, da die elektromagnetischen Spulen direkt am Außengehäuse angebracht sind.
Die elektromagnetischen Abschnitte von sowohl Innenläufern als auch Außenläufern sind stationär, wohingegen sich die Magnete drehen. Dies unterschiedet sie von herkömmlichen DC-Motoren, bei denen die Magnete stationär (am Gehäuse befestigt) sind, wohingegen sich der elektromagnetische Abschnitt dreht. Der andere grundlegende Unterschied besteht darin, dass DC-Motoren mit Bürsten zum Übertragen von Elektrizität diese Bürsten in mechanisch programmierter Sequenz verwenden. Die DC-Motoren ohne Bürsten hingegen werden durch Spulenerregung mittels Halleffektgeber oder durch Erfassen der Gegen-EMK gesteuert.
Der große Vorteil von DC-Motoren mit Bürsten gegenüber DC-Motoren ohne Bürsten ist der geringe Preis und die einfache Verwendung – sie werden einfach an eine Gleichstromquelle mit entsprechender Spannung angeschlossen. Zu den Nachteilen zählen jedoch die geringere Effizienz, Bürstenverschleiß durch Reibung sowie Funkenbildung. Auch ist die Ausgangsleistung von DC-Motoren mit Bürsten schlechter zu regeln als von die BLDC-Motoren. Sie sind nicht mit integriertem Feedback ausgestattet und die einzige Möglichkeit, Drehzahl und Drehmoment zu regeln ist das Ändern der Spannung.
Ist ein BLDC-Motor ein Schrittmotor, ein AC-Motor oder ein ganz eigenständiges System?
DC-Motoren ohne Bürsten drehen in schnell aufeinanderfolgenden Schritten, daher könnte man versucht sein, sie der Kategorie der Schrittmotoren zuzuordnen. Doch wie bereits erwähnt sind BLDCs in der Regel auf hohe Drehzahl ausgelegt, Schrittmotoren hingegen auf hohe Stellgenauigkeit. Wenn ein Motor mit mehreren tausend Umdrehungen pro Minute gebraucht wird, dann ist ein BLDC im Vergleich zum Schrittmotor die richtige Wahl.
Wenn andererseits ein Motor mit einer Stellgenauigkeit von Bruchteilen einer Umdrehung in beiden Richtungen und in ständiger Wiederholung gebraucht wird, dann ist ein Schrittmotor die richtige Wahl. Man muss nur daran denken, dass CNC-Router und 3D-Drucker oft stundenlang schrittgesteuert betrieben und die Schritte dabei perfekt synchron ausgeführt werden. Für präzise Stellvorgänge können auch Servomotoren mit Sensorfeedback zum Ermitteln des Stellwegs eine gute Wahl sein.
Da BLDC-Motoren Elemente des Schrittbetriebs sowie des Servobetriebs kombinieren, kann man BLDCs durchaus als ein völlig eigenständiges System betrachten. BLDC-Motoren sind mit ihrem exzellenten Drehzahlverhalten, ihrer Effizienz, dem integrierten Feedback und den geringen Wartungskosten für eine Vielzahl an Automatisierungsprojekten eine interessante Option.
BLDC mit Gleichstrom im Vergleich zu PMSM mit Wechselstrom
BLDC-Motoren sind Gleichstrommotoren. Das mit Wechselstrom betriebene Gegenstück wird als Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) bezeichnet. Anstelle der gesteuerten Gleichstromversorgung der einzelnen Spulen verwendet dieser Motortyp zum Steuern der Drehzahl eine Wechselstromquelle mit variabler Frequenz. PMSMs sind in der Regel effizienter als BLDC-Motoren und liefern mehr Drehmoment. Sie werden oft in Fahrzeugen mit Elektroantrieb eingesetzt. Obwohl nicht mit BLDC-Motoren gleichzusetzen, sind PMSMs in vielen Fällen eine gute Alternative.
Steuerverfahren für BLDCs
Die Informationen zum Drehverhalten werden beim BDCs mittels dafür bestimmten Sensoren oder Gegen-EMK ermittelt. Die Steuerung kann mit einer dieser drei Verfahren umgesetzt werden: trapezförmig, sinusförmig und feldorientiert (FOC).
Trapezartige Steuerung ist die einfachste Methode zum Steuern von BLDCs, bei der jede Phase sequenziell erregt wird. Die Spulen werden entweder im Status Hoch oder im Status Niedrig erregt oder im Status Potenzialfrei belassen. Diese Methode ist zwar vielseitig anwendbar, jedoch nicht so effektive wie höher entwickelte Techniken. Zudem kann sie hörbares Rauschen erzeugen.
Sinusartige Steuerung erregt jede BLDC-Spule mit PWM-Techniken mit variablem Arbeitszyklus, um Analogausgänge zu simulieren. Dieser ermöglicht mittels einer Tabelle zum Ermitteln des richtigen Signal wesentlich glattere Übergänge zwischen den Zuständen. Die Spulen werden häufig in einem sattelartigen Muster erregt, statt in einem sinusartigen Muster.
Feldorientierte Steuerung (FOC) arbeitet ähnlich wie die sinusartige Steuerung mit variabler Ausgabe, sie bezieht beim Berechnen der Spannungseingabe die sich ändernden Spulenströme mit ein. FOC ist in der Lage, bei geringem akustischen Rauschen Drehmoment und Drehzahl mit Konstanz zu liefern und die effizienteste Art, BLDC-Motoren zu steuern.
Anwendungsgebiete für BLDC-Motoren
BLDC-Motortechnologien werden insbesondere in Drohnensystemen eingesetzt, bei denen es absolut auf das Koordinieren von vier Rotoren mit hoher Drehzahl sowie auf Effizienz und geringen Wartungsaufwand ankommt. Zunehmend ist auch die Verwendung in Elektrowerkzeugen zu beobachten, obwohl Modelle mit BLDCs im Vergleich zu Modellen mit Bürsten mit deutlichem Preisaufschlag angeboten werden. Auch in Waschmaschinen und Wäschetrocknern sowie bestimmten Lüftern und Pumpen werden BLDCs verbaut.
Ein weiteres typisches Anwendungsgebiet für BLDC-Motoren sind die Kühlerlüfter von PCs. Auch in präzise drehenden Antrieben von Geräten für magnetische und optische Medien (Festplatten, Lesegeräte für CDs, DVDs und Blu-Rays) wird diese Technologie verwendet. Und allgemein gesagt zählen zu den weiteren Anwendungsgebieten Elektrofahrzeuge (einschließlich E-Bikes), Verpackungsanlagen und medizinische Geräte.
Erste Schritte mit DC-Motoren ohne Bürsten
Mit ihren beträchtlichen Vorteilen ist die vermehrte Verwendung der BLDC-Motortechnologie in der nahen Zukunft wahrscheinlich. Dabei zu beachten sind die höchstentwickelten FOC-Verfahren für höhere Motoreffizienz und bessere Leistungsabgabe sowie die Verfügbarkeit von Treibern mit immer größerem Funktionsumfang.
Sei es ein anstehendes Projekt oder ein möglicher zukünftiger Anwendungsfall – jetzt ist die günstigste Zeit, sich mit der BLDC-Technologie zu befassen. Als Starthilfe bietet Arrow eine Vielzahl an Evaluierungsboards an, die den Designaufwand verringern sowie die Markteinführungszeit verkürzen.
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