1. Gleichstrommotor mit Bürsten
Bei Bürstenmotoren erfolgt dies über einen Drehschalter auf der Motorwelle, der als Kommutator bezeichnet wird.Es besteht aus einem rotierenden Zylinder oder einer rotierenden Scheibe, die in mehrere Metallkontaktsegmente am Rotor unterteilt ist.Die Segmente sind mit Leiterwicklungen am Rotor verbunden.Zwei oder mehr stationäre Kontakte, sogenannte Bürsten, bestehen aus einem weichen Leiter wie Graphit, drücken gegen den Kommutator und stellen beim Drehen des Rotors einen gleitenden elektrischen Kontakt mit aufeinanderfolgenden Segmenten her.Die Bürsten versorgen die Wicklungen gezielt mit elektrischem Strom.Wenn sich der Rotor dreht, wählt der Kommutator verschiedene Wicklungen aus und der gerichtete Strom wird an eine bestimmte Wicklung angelegt, sodass das Magnetfeld des Rotors nicht mit dem Stator übereinstimmt und ein Drehmoment in eine Richtung erzeugt.
2. Bürstenloser Gleichstrommotor
Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren ersetzt ein elektronisches Servosystem die mechanischen Kommutatorkontakte.Ein elektronischer Sensor erkennt den Winkel des Rotors und steuert Halbleiterschalter wie Transistoren, die den Strom durch die Wicklungen schalten, indem sie entweder die Richtung des Stroms umkehren oder ihn bei einigen Motoren im richtigen Winkel abschalten, sodass die Elektromagnete gleichzeitig ein Drehmoment erzeugen Richtung.Durch den Wegfall des Schleifkontakts haben bürstenlose Motoren weniger Reibung und eine längere Lebensdauer.Ihre Lebensdauer ist nur durch die Lebensdauer ihrer Lager begrenzt.
Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren entwickeln im Stillstand ein maximales Drehmoment, das mit zunehmender Geschwindigkeit linear abnimmt.Einige Einschränkungen von Bürstenmotoren können durch bürstenlose Motoren überwunden werden;Dazu zählen ein höherer Wirkungsgrad und eine geringere Anfälligkeit gegenüber mechanischem Verschleiß.Diese Vorteile gehen zu Lasten einer möglicherweise weniger robusten, komplexeren und teureren Steuerelektronik.
Ein typischer bürstenloser Motor verfügt über Permanentmagnete, die sich um einen festen Anker drehen, wodurch Probleme vermieden werden, die mit dem Anschließen von Strom an den beweglichen Anker verbunden sind.Eine elektronische Steuerung ersetzt die Kommutatorbaugruppe des bürstenbehafteten Gleichstrommotors, die kontinuierlich die Phase zu den Wicklungen umschaltet, um den Motor am Laufen zu halten.Der Controller führt eine ähnliche zeitgesteuerte Stromverteilung durch, indem er anstelle des Kommutatorsystems einen Halbleiterschaltkreis verwendet.
Bürstenlose Motoren bieten gegenüber bürstenbehafteten Gleichstrommotoren mehrere Vorteile, darunter ein hohes Drehmoment-Gewichts-Verhältnis, einen höheren Wirkungsgrad mit mehr Drehmoment pro Watt, eine höhere Zuverlässigkeit, eine geringere Geräuschentwicklung, eine längere Lebensdauer durch Eliminierung der Bürsten- und Kommutatorerosion sowie die Eliminierung ionisierender Funken aus dem Motor
Kommutator und eine allgemeine Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI).Da der Rotor keine Wicklungen aufweist, sind sie keinen Zentrifugalkräften ausgesetzt, und da die Wicklungen vom Gehäuse getragen werden, können sie durch Wärmeleitung gekühlt werden, sodass zur Kühlung kein Luftstrom im Inneren des Motors 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 in Software mithilfe eines Mikrocontrollers oder alternativ mithilfe analoger oder digitaler Schaltkreise implementiert werden.Die Kommutierung mit Elektronik anstelle von Bürsten ermöglicht eine größere Flexibilität und Funktionen, die bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren nicht verfügbar sind, einschließlich Geschwindigkeitsbegrenzung, Mikroschrittbetrieb für langsame und feine Bewegungssteuerung und ein Haltemoment im Stillstand.Die Steuerungssoftware kann an den spezifischen Motor angepasst werden, der in der Anwendung verwendet wird, was zu einer höheren Kommutierungseffizienz führt.
Die maximale Leistung, die einem bürstenlosen Motor zugeführt werden kann, wird fast ausschließlich durch Hitze begrenzt; zu viel Hitze schwächt die Magnete und beschädigt die Isolierung der Wicklungen.
Bei der Umwandlung von Elektrizität in mechanische Leistung sind bürstenlose Motoren vor allem aufgrund des Fehlens von Bürsten effizienter als Bürstenmotoren, wodurch der mechanische Energieverlust aufgrund von Reibung verringert wird.Der verbesserte Wirkungsgrad ist im Leerlauf- und Niedriglastbereich der Leistungskurve des Motors am größten.
Zu den Umgebungen und Anforderungen, in denen Hersteller bürstenlose Gleichstrommotoren verwenden, gehören wartungsfreier Betrieb, hohe Drehzahlen und Betrieb, bei dem Funkenbildung gefährlich ist (z. B. explosionsgefährdete Umgebungen) oder elektronisch empfindliche Geräte beeinträchtigen könnte.
Der Aufbau eines bürstenlosen Motors ähnelt einem Schrittmotor, die Motoren weisen jedoch aufgrund unterschiedlicher Implementierung und Funktionsweise wichtige Unterschiede auf.Während Schrittmotoren häufig mit einer definierten Winkelposition des Rotors angehalten werden, soll ein bürstenloser Motor in der Regel eine kontinuierliche Rotation erzeugen.Beide Motortypen können über einen Rotorpositionssensor zur internen Rückmeldung verfügen.Sowohl ein Schrittmotor als auch ein gut konzipierter bürstenloser Motor können ein endliches Drehmoment bei null U/min halten.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08.03.2023