BLDC Motoren
(1)Elektromotoren, darunter der immer beliebter werdende BLDC (Brushless Direct-Current Motor), auch bekannt als bürstenlose Motoren oder Synchron-DC-Motoren, sind Geräte, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln, meist in der Form der Drehbewegung. BLDC-Motoren sind eine der vielen Gruppen von Elektromotoren, die dank ihrer unbestrittenen Vorteile in immer mehr Geräten verwendet werden, von Computerkomponenten wie optischen Laufwerken und Lüftern über Elektro-Handwerkzeuge, Spielzeug und ferngesteuerte Fahrzeuge (z.B. Drohnen), Haushaltsgeräte, bis hin zu Maschinen und Geräten zum Transport und zur Fortbewegung, einschließlich der Scooter, Fahrräder und Elektroautos..
Der Aufbau von BLDC-Motoren
Bürstenlose Motoren haben im Vergleich zu Kommutatormotoren einen anderen Aufbau. Der größte Unterschied zwischen den beiden Antriebsarten ist das Fehlen eines Kommutators, der bei BLDC-Motoren aufeinanderfolgende Rotorwicklungen schaltet. Stattdessen verfügen sie über die sogenannte elektronische Kommutierung - einen speziellen Controller, der für die Arbeit mit BLDC-Motoren geeignet ist und die Stromversorgung auf aufeinanderfolgenden Statorwicklungen so verwaltet und schaltet, dass eine gleichmäßige, rotierende Bewegung des elektromagnetischen Felds erzeugt wird, gefolgt von einem Rotor, auf dem Permanentmagnete angebracht sind (oft in Form von starken Neodym-Magneten). Das Schalten aufeinanderfolgender Wicklungen erfolgt mittels der Halbleiterelemente wie Transistoren. Wenn der von der Wicklung erzeugte elektromagnetische Feldvektor zu dem von den Rotormagneten erzeugten magnetischen Feldvektor winkelmäßig verschoben wird, tritt ein Drehmoment auf, das eine Drehung des Rotors bewirkt.
Drehstrommotoren können Wicklungen mit Dreieckschaltung haben, wobei das Ende jeder Wicklung mit dem Anfang der nächsten verbunden ist und an jedem der drei so erstellten Punkte Strom zugeführt wird. Die Wicklungen können auch sternförmig geschaltet sein, wobei eines der Enden der Wicklungen an einem gemeinsamen Mittelpunkt verbunden ist, während den freien Enden von jedem von ihnen Strom zugeführt wird. Die Dreieckschaltung liefert bei niedrigen Drehzahlen weniger Drehmoment, erreicht aber eine höhere Maximaldrehzahl als die Sternschaltung. In der Praxis ist die Sternschaltung bei BLDC-Motoren am weitesten verbreitet, da sie in typischen Anwendungen effizienter ist.
Bürstenlose Motoren gibt es in drei Varianten, bei denen der Rotor vom Stattor (Innenläufer, inrunners) umgeben ist, der Stator vom Rotor (Außenläufer, outrunners) umgeben ist oder Rotor und Stator flach und parallel sind (Axialläufer). In jedem Fall ist es ein Permanentmagnetrotor, der sich gegenüber dem feststehenden Teil mit Wicklungen bewegt. Typischerweise haben BLDC-Motorenmit dem den Stator umgebendem Rotor (sogenannte Außenläufer) höhere Drehmomentwerte bei niedrigen Drehzahlen. Da der Stator stationär und fest mit dem Gehäuse verbunden ist, kann die Kühlung hauptsächlich durch Wärmeleitung erfolgen, und es ist keine zusätzliche Zwangsluftzirkulation erforderlich, um den Motor zu kühlen. Die maximale Leistung eines bürstenlosen Motors wird in der Praxis nur durch die freigesetzte Wärmemenge begrenzt, deren Überschuss zum Durchbrennen der Wicklungsisolation und damit zur Zerstörung führen kann.
Steuerung eines bürstenlosen Motors
Ein BLDC-Motorsteuerungssystem wird sehr oft in Form einer Feedback-Steuerung ausgeführt. Ein elektronischer Sensor, meistens in Form eines Hall-Sensors, überprüft die aktuelle Winkelposition des Rotors, wodurch die Steuerung Informationen darüber erhält, wie aufeinanderfolgende Wicklungen umgeschaltet werden, um die sanfteste und stabilste Drehung der Welle zu erzielen. Die Einstellung der Phase (oder eigentlich der Schaltfrequenz der Statorwicklungen) und der Amplitude der Gleichstromimpulse durch den Controller ermöglichen die Steuerung der Drehzahl und des Drehmoments, das auf der Welle erscheint. Es gibt auch Lösungen ohne Rotorwinkellagensensor. Das Signal „Back EMF“ (Back Electromotive Force) wird verwendet, das durch am Rotor angebrachte rotierende Magnete (Magnetfeld) erzeugt wird. Die an jeder der Spulen induzierte Spannung wird mit der Mittenspannung am Verbindungspunkt aller drei Wicklungen verglichen (falls sie in Stern geschaltet sind). Diese Signale werden verstärkt und an das Rotorpositionserkennungssystem gesendet, und ihre Wellenformen sind gegeneinander um 120° verschoben. Das Problem bei einer solchen Lösung ist der Zeitpunkt des Starts, also der Start des Motors, da diese Signale noch nicht erzeugt werden und die Position des Rotors unbekannt ist.
Es ist zu wissen, dass BLDC-Motoren eine unterschiedliche Anzahl von Phasen haben können. Es gibt einphasige, zweiphasige und dreiphasige BLDC-Motoren. Je höher die Anzahl der Phasen, desto höher die Leistung und der Wirkungsgrad des Motors und desto leiser ist sein Betrieb, was auf ein sanfteres Schalten der Wicklungen zurückzuführen ist, das weniger Vibrationen der Struktur verursacht.
Vorteile von BLDC-Motoren
Elektronische Kommutierung in BLDC-Motoren, die sogenannte ECM (Electronically Commutative Motors) und damit das Fehlen vom Kommutator und darauf gleitenden Kohlebürsten bringt viele Vorteile. Es ist vor allem das Fehlen von Funkenbildung – ein häufiges Problem in den Kommutatormotoren – wodurch sie in Bereichen eingesetzt werden können, in denen Brand- oder Explosionsgefahr besteht. Es entsteht auch kein Energieverlust, da keine Reibung zwischen den Kohlebürsten und dem Kommutator auftritt, was zudem durch das entstehende elektronische Rauschen zu Fehlfunktionen der benachbarten Mikroelektronik führen kann. Die Haltbarkeit eines BLDC-Motors wird fast nur durch die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der in seiner Konstruktion verwendeten Lager bestimmt. Das Fehlen von Bürsten und Kommutator bedeutet auch weniger Gewicht von BLDC-Motoren, ihren höheren Wirkungsgrad (im Vergleich zu herkömmlichen DC-Elektromotoren) und einen leiseren Betrieb. Sie können auch hohe Drehzahlen erreichen, aber man kann diesen Parameter leicht begrenzen und auch bei niedrigen Drehzahlen steuern.
Bei der Auswahl eines BLDC-Motors soll es auf die Versorgungsspannung geachtet werden, für die er ausgelegt ist. Dies ergibt sich normalerweise aus den Parametern der Stromversorgung, die mit dem Controller zum Betreiben des jeweiligen Motors verwendet wird. Auch der Wellendurchmesser und die Laufradkonfiguration können berücksichtigt werden.
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