1. Bürsten-Gleichstrommotor
Bei Bürstenmotoren geschieht dies über einen Drehschalter auf der Motorwelle, den sogenannten Kommutator. Er besteht aus einem rotierenden Zylinder oder einer Scheibe, die in mehrere metallische Kontaktsegmente auf dem Rotor unterteilt ist. Die Segmente sind mit den Leiterwicklungen am Rotor verbunden. Zwei oder mehr feste Kontakte, sogenannte Bürsten, aus einem weichen Leiter wie Graphit, drücken gegen den Kommutator und stellen bei Drehung des Rotors gleitenden elektrischen Kontakt mit den nachfolgenden Segmenten her. Die Bürsten versorgen die Wicklungen selektiv mit elektrischem Strom. Während sich der Rotor dreht, wählt der Kommutator verschiedene Wicklungen aus, und der gerichtete Strom wird auf eine bestimmte Wicklung angewendet, sodass das Magnetfeld des Rotors nicht mit dem Stator ausgerichtet bleibt und ein Drehmoment in eine Richtung erzeugt.
2. Bürstenloser Gleichstrommotor
Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren ersetzt ein elektronisches Servosystem die mechanischen Kommutatorkontakte. Ein elektronischer Sensor erfasst den Rotorwinkel und steuert Halbleiterschalter wie Transistoren, die den Strom durch die Wicklungen schalten. Dabei wird entweder die Stromrichtung umgekehrt oder – bei manchen Motoren – der Strom im richtigen Winkel abgeschaltet, sodass die Elektromagnete ein Drehmoment in eine Richtung erzeugen. Der Wegfall des Schleifkontakts ermöglicht bürstenlosen Motoren geringere Reibung und eine längere Lebensdauer; ihre Lebensdauer wird lediglich durch die Lebensdauer der Lager begrenzt.
Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren entwickeln im Stillstand ein maximales Drehmoment, das mit zunehmender Geschwindigkeit linear abnimmt. Einige Nachteile von Bürstenmotoren können durch bürstenlose Motoren überwunden werden; dazu gehören ein höherer Wirkungsgrad und eine geringere Anfälligkeit für mechanischen Verschleiß. Diese Vorteile gehen jedoch zu Lasten einer potenziell weniger robusten, komplexeren und teureren Steuerelektronik.
Ein typischer bürstenloser Motor verfügt über Permanentmagnete, die sich um einen festen Anker drehen. Dadurch entfallen Probleme bei der Stromzufuhr zum beweglichen Anker. Eine elektronische Steuerung ersetzt die Kommutatorbaugruppe des bürstenbehafteten Gleichstrommotors und schaltet kontinuierlich die Phase der Wicklungen um, um den Motor am Laufen zu halten. Die Steuerung sorgt für eine ähnliche zeitgesteuerte Stromverteilung, indem sie anstelle des Kommutatorsystems eine Halbleiterschaltung verwendet.
Bürstenlose Motoren bieten gegenüber Gleichstrommotoren mit Bürsten mehrere Vorteile, darunter ein hohes Drehmoment-Gewichts-Verhältnis, eine höhere Effizienz durch mehr Drehmoment pro Watt, eine höhere Zuverlässigkeit, weniger Lärm, eine längere Lebensdauer durch Vermeidung von Bürsten- und Kommutatorerosion, die Vermeidung von ionisierenden Funken aus dem
Kommutator und eine allgemeine Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI). Da der Rotor keine Wicklungen aufweist, sind sie keinen Fliehkräften ausgesetzt. Da die Wicklungen vom Gehäuse getragen werden, können sie durch Wärmeleitung gekühlt werden, sodass kein Luftstrom im Motor zur Kühlung erforderlich ist. Dies wiederum bedeutet, dass das Innere des Motors vollständig umschlossen und vor Schmutz oder anderen Fremdkörpern geschützt werden kann.
Die Kommutierung bürstenloser Motoren kann softwareseitig über einen Mikrocontroller oder alternativ über analoge oder digitale Schaltungen realisiert werden. Die Kommutierung mit Elektronik anstelle von Bürsten bietet mehr Flexibilität und Möglichkeiten, die bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren nicht verfügbar sind, darunter Drehzahlbegrenzung, Mikroschrittbetrieb für langsame und feine Bewegungssteuerung und Haltemoment im Stillstand. Die Controller-Software kann an den jeweiligen Motor angepasst werden, was zu einer höheren Kommutierungseffizienz führt.
Die maximale Leistung, die einem bürstenlosen Motor zugeführt werden kann, wird fast ausschließlich durch die Wärme begrenzt. [Zitat erforderlich] Zu viel Wärme schwächt die Magnete und beschädigt die Isolierung der Wicklungen.
Bürstenlose Motoren sind bei der Umwandlung von Elektrizität in mechanische Leistung effizienter als Bürstenmotoren, vor allem aufgrund des Wegfalls der Bürsten, wodurch der mechanische Energieverlust durch Reibung reduziert wird. Der verbesserte Wirkungsgrad ist im Leerlauf- und Schwachlastbereich der Motorleistungskurve am größten.
Zu den Umgebungen und Anforderungen, in denen Hersteller bürstenlose Gleichstrommotoren verwenden, gehören wartungsfreier Betrieb, hohe Geschwindigkeiten und Betrieb in Bereichen, in denen Funkenbildung gefährlich ist (z. B. in explosiven Umgebungen) oder elektronisch empfindliche Geräte beeinträchtigen könnte.
Der Aufbau eines bürstenlosen Motors ähnelt dem eines Schrittmotors, die Motoren weisen jedoch aufgrund unterschiedlicher Implementierung und Funktionsweise wichtige Unterschiede auf. Während Schrittmotoren häufig mit dem Rotor in einer definierten Winkelposition gestoppt werden, ist ein bürstenloser Motor in der Regel für eine kontinuierliche Rotation ausgelegt. Beide Motortypen können über einen Rotorpositionssensor für internes Feedback verfügen. Sowohl ein Schrittmotor als auch ein gut konstruierter bürstenloser Motor können ein begrenztes Drehmoment bei null U/min halten.
Beitragszeit: 08.03.2023
