Kenntnisse über die Funktionsweise von Bürstenmotoren und bürstenlosen Motoren

Funktionsprinzip des Bürstenmotors

Die Hauptstruktur vonbürstenloser MotorDer Rotor besteht aus Stator, Rotor und Bürste. Das Drehmoment wird durch die Rotation des Magnetfelds erzeugt, das kinetische Energie freisetzt. Die Bürste steht ständig in Kontakt mit dem Kommutator, um Strom zu leiten und die Phase während der Rotation zu ändern.

Bürstenmotoren nutzen die mechanische Kommutierung. Der Magnetpol bewegt sich nicht, die Spule dreht sich. Im Betrieb drehen sich Spule und Kommutator, während sich die Magnetstahl- und Kohlebürsten nicht drehen. Der Wechsel der Stromrichtung in der Spule wird durch den mit dem Motor rotierenden Kommutator und die Bürsten bewirkt.

Bei einem Bürstenmotor besteht dieser Vorgang darin, die beiden Stromeingangsenden der Spule zu gruppieren, die wiederum ringförmig angeordnet und durch Isoliermaterialien voneinander getrennt sind, sodass eine Art Zylinder entsteht, der mit der Motorwelle wiederholt eine organische Einheit bildet. Die Stromversorgung erfolgt über zwei kleine Säulen aus Kohle (Kohlebürsten), die unter der Wirkung von Federdruck von zwei spezifischen festen Positionen aus Druck auf den Stromeingang ausüben, wodurch zwischen den beiden Punkten der kreisförmigen zylindrischen Spule ein elektrischer Stromkreis entsteht.

Als derMotorDurch die Rotation des Motors werden unterschiedliche Spulen oder Pole derselben Spule zu unterschiedlichen Zeiten bestromt, sodass ein geeigneter Winkelunterschied zwischen dem ns-Pol der die Magnetfeld erzeugenden Spule und dem ns-Pol des nächstgelegenen Permanentmagneten im Stator entsteht. Die Magnetfelder ziehen sich an und stoßen sich ab, wodurch eine Kraft erzeugt wird, die den Motor in Rotation versetzt. Die Kohleelektrode gleitet wie eine Bürste über die Oberfläche eines Objekts auf dem Drahtkopf, daher der Name „Bürste“.

Durch das Gleiten aneinander entsteht Reibung und Verschleiß der Kohlebürsten, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Das abwechselnde Ein- und Ausschalten zwischen Kohlebürste und Spulenkopf kann elektrische Funken, elektromagnetische Unterbrechungen und Störungen elektronischer Geräte verursachen.

Funktionsprinzip des bürstenlosen Motors

Bei einem bürstenlosen Motor erfolgt die Kommutierung durch die Steuerschaltung im Controller (in der Regel Hall-Sensor + Controller, eine fortschrittlichere Technologie ist der magnetische Encoder).

Bürstenlose Motoren nutzen einen elektronischen Kommutator. Die Spule bewegt sich nicht, der Magnetpol rotiert. Mithilfe eines Hall-Sensors (SS2712) erfasst der bürstenlose Motor die Position des Magnetpols des Permanentmagneten. Basierend auf dieser Messung schaltet eine elektronische Schaltung die Stromrichtung in der Spule zum richtigen Zeitpunkt um, um die Erzeugung der Magnetkraft in der richtigen Richtung für den Motorantrieb sicherzustellen. Dadurch werden die Nachteile bürstenloser Motoren beseitigt.

Diese Schaltungen werden Motorsteuerungen genannt. Die Steuerung des bürstenlosen Motors kann auch Funktionen realisieren, die mit dem bürstenlosen Motor allein nicht möglich sind, wie z. B. die Anpassung des Leistungsschaltwinkels, das Bremsen des Motors, das Umkehren der Drehrichtung, das Blockieren des Motors und das Unterbrechen der Stromzufuhr zum Motor mithilfe des Bremssignals. Elektronische Alarmanlagen für Elektroautos nutzen diese Funktionen heutzutage umfassend.

Der bürstenlose Gleichstrommotor ist ein typisches mechatronisches Produkt und besteht aus dem Motorgehäuse und dem Treiber. Da der bürstenlose Gleichstrommotor im automatischen Steuerungsmodus betrieben wird, benötigt er im Gegensatz zum Synchronmotor mit variabler Drehzahlregelung und Anlaufstromregelung keine zusätzliche Anlaufwicklung am Rotor und verursacht bei Laständerungen keine Schwingungen oder Leistungssprünge.

Der Unterschied im Drehzahlregelungsmodus zwischen Bürstenmotor und bürstenlosem Motor

Die Steuerung beider Motortypen erfolgt im Prinzip über die Spannungsregelung. Da der bürstenlose Gleichstrommotor jedoch einen elektronischen Kommutator verwendet, kann dies durch digitale Steuerung erreicht werden, während der bürstenlose Gleichstrommotor über einen Kohlebürstenkommutator arbeitet und daher mit herkömmlichen analogen Schaltungen gesteuert werden kann – was vergleichsweise einfach ist.

1. Die Drehzahlregelung eines Bürstenmotors erfolgt durch Anpassen der Versorgungsspannung. Nach der Anpassung werden Spannung und Stromstärke mittels Kommutator und Bürsten umgewandelt, um die Stärke des von den Elektroden erzeugten Magnetfelds zu verändern und somit die Drehzahl zu steuern. Dieser Vorgang wird als Druckregelung bezeichnet.

2. Bei der Drehzahlregelung eines bürstenlosen Motors bleibt die Versorgungsspannung des Motors konstant, während das Steuersignal der elektrischen Regelung geändert wird. Die Schaltfrequenz des Hochleistungs-MOSFETs wird vom Mikroprozessor angepasst, um die Drehzahl zu ändern. Dieser Vorgang wird als Frequenzumwandlung bezeichnet.

Leistungsunterschied

1. Bürstenmotoren zeichnen sich durch eine einfache Struktur, eine lange Entwicklungszeit und ausgereifte Technologie aus.

Im 19. Jahrhundert, der Geburtsstunde des Motors, war der bürstenlose Wechselstrom-Käfigläufermotor der gängigste Motortyp und fand nach der Erfindung des Wechselstroms weite Verbreitung. Allerdings wies der Asynchronmotor zahlreiche unüberwindbare Nachteile auf, was die Entwicklung der Motorentechnologie verlangsamte. Insbesondere der bürstenlose Gleichstrommotor konnte sich lange nicht kommerziell durchsetzen. Erst mit der rasanten Entwicklung der Elektronik gelang dies in den letzten Jahren. Im Wesentlichen zählt er jedoch weiterhin zur Kategorie der Wechselstrommotoren.

Bürstenlose Motoren wurden erst vor relativ kurzer Zeit entwickelt; man hat den bürstenlosen Gleichstrommotor erfunden. Da der Mechanismus des Gleichstrom-Bürstenmotors einfach, leicht herzustellen und zu verarbeiten, leicht zu warten und leicht zu steuern ist; außerdem zeichnet sich der Gleichstrommotor durch ein schnelles Ansprechverhalten, ein hohes Anlaufdrehmoment und die Fähigkeit aus, die Nenndrehmomentleistung von Null bis zur Nenndrehzahl zu erbringen, aus, hat er sich seit seiner Markteinführung weit verbreitet.

2. Der bürstenlose Gleichstrommotor zeichnet sich durch schnelles Ansprechverhalten und hohes Anlaufdrehmoment aus.

Bürstenlose Gleichstrommotoren zeichnen sich durch ein schnelles Anlaufverhalten, ein hohes Anlaufdrehmoment und einen stabilen Drehzahlverlauf aus. Sie arbeiten nahezu vibrationsfrei vom Stillstand bis zur Maximaldrehzahl und können beim Anlauf höhere Lasten antreiben. Bürstenlose Motoren weisen jedoch einen hohen Anlaufwiderstand (induktive Reaktanz) auf, wodurch der Leistungsfaktor gering ist, das Anlaufdrehmoment relativ niedrig ausfällt, das Anlaufgeräusch ein Brummen und starke Vibrationen auftreten und die Anlauflast gering ist.

3. Der bürstenlose Gleichstrommotor läuft ruhig und hat eine gute Bremswirkung.

Der bürstenlose Motor wird durch Spannungsregelung gesteuert, wodurch Anlauf- und Bremsvorgänge sowie der Betrieb mit konstanter Drehzahl stabil sind. Üblicherweise wird der bürstenlose Motor über digitale Frequenzumwandlung gesteuert, die zunächst Wechselstrom in Gleichstrom und anschließend Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und die Drehzahl über die Frequenzänderung regelt. Daher läuft der bürstenlose Motor beim Anfahren und Bremsen nicht ruhig, sondern mit starken Vibrationen und ist nur im Konstantdrehzahlbetrieb stabil.

4. Die Steuerungsgenauigkeit des Gleichstrom-Bürstenmotors ist hoch.

Bürstenlose Gleichstrommotoren werden üblicherweise zusammen mit einem Getriebe und einem Decoder eingesetzt, um die Ausgangsleistung des Motors zu erhöhen und die Regelungsgenauigkeit zu verbessern. Diese Genauigkeit kann bis zu 0,01 mm erreichen, wodurch bewegliche Teile nahezu an jeder gewünschten Position angehalten werden können. Alle Präzisionswerkzeugmaschinen arbeiten mit einer solchen Gleichstrommotorsteuerung. Da bürstenlose Motoren beim Anfahren und Bremsen nicht stabil laufen, halten die beweglichen Teile jedes Mal an unterschiedlichen Positionen an. Die gewünschte Position kann nur mithilfe von Positionierstiften oder Positionsbegrenzern erreicht werden.

5. Niedrige Betriebskosten für Gleichstrom-Bürstenmotoren, einfache Wartung

Aufgrund ihrer einfachen Struktur, der niedrigen Produktionskosten, der großen Anzahl an Herstellern und der ausgereiften Technologie finden bürstenlose Gleichstrommotoren breite Anwendung, beispielsweise in Fabriken, Werkzeugmaschinen und Präzisionsinstrumenten. Bei einem Motorausfall müssen lediglich die Kohlebürsten ausgetauscht werden; jede Kohlebürste kostet nur wenige Euro und ist somit sehr kostengünstig. Ist die Technologie bürstenloser Motoren noch nicht ausgereift, sind sie teurer und ihr Anwendungsbereich ist begrenzt. Sie eignen sich hauptsächlich für Geräte mit konstanter Drehzahl, wie z. B. Frequenzumrichter-Klimaanlagen und Kühlschränke. Bei einem Defekt kann der bürstenlose Motor nur ausgetauscht werden.

6, keine Bürste, geringe Interferenz

Bei bürstenlosen Motoren wird die Bürste entfernt; die direkteste Veränderung besteht im Fehlen des Funkens, der beim Bürstenmotor entsteht. Dadurch werden elektrische Funkenstörungen an entfernten Funkgeräten erheblich reduziert.

7. Geräuscharmer und reibungsloser Betrieb

Der Verzicht auf Bürsten sorgt bei bürstenlosen Motoren für deutlich weniger Reibung im Betrieb, einen ruhigeren Lauf und eine wesentlich geringere Geräuschentwicklung, was einen großen Beitrag zur Stabilität des Modellbetriebs leistet.

8. Lange Lebensdauer und geringe Wartungskosten

Bei bürstenlosen Motoren beschränkt sich der Verschleiß hauptsächlich auf die Lager. Aus mechanischer Sicht ist ein bürstenloser Motor nahezu wartungsfrei; bei Bedarf ist lediglich eine Staubentfernung erforderlich.

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