Was ist ein bürstenloser Gleichstrommotor?

 

A bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)ist ein typisches mechatronisches Produkt, das aus einem Motorkörper und einem Treiber besteht. Er wird auch als „kommutatorloser Motor" bezeichnet, da er keine Bürsten und keinen Kommutator (oder Kollektorring) hat.

 

Die Geschichte der bürstenlosen Motoren reicht bis ins 19. Jahrhundert zurück. Damals erfand der amerikanische Erfinder Nikola Tesla im Jahr 1887 den Asynchronmotor. Obwohl einige den Asynchronmotor als „einen der Vorgänger des bürstenlosen Motors" bezeichnen, war die Entwicklung des Motors aufgrund der damaligen technologischen Einschränkungen ein relativ langsamer Prozess . Erst Mitte des 19. Jahrhunderts gelang mit der Erfindung und Anwendung des Transistors der Durchbruch in der Motorentechnik. Durch die Verwendung einer Transistor-Kommutierungsschaltung anstelle der herkömmlichen Bürste und des Kommutators wurden elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren offiziell geboren. Dieser neue bürstenlose Motor überwindet nicht nur die technischen Mängel des Asynchronmotors, sondern verbessert auch erheblich die Effizienz und Zuverlässigkeit.

 

Heutzutage werden bürstenlose Gleichstrommotoren aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Effizienz, geringem Wartungsaufwand und langer Lebensdauer häufig in den Bereichen Elektrowerkzeuge, Haushaltsgeräte und Industrieautomation eingesetzt.

 

 

1. Modi der Geschwindigkeitsregulierung

Ein bürstenloser Motor kann den herkömmlichen ersetzenbürstenbehafteter Gleichstrommotorzur Geschwindigkeitsregelung und ersetzt sogar das Geschwindigkeitsregelungssystem von Wechselrichter + Wechselrichtermotor oder Asynchronmotor + Untersetzungsgetriebe. Es benötigt keine zusätzliche Geschwindigkeitsänderungsausrüstung und realisiert direkt eine effiziente Geschwindigkeitsregelung.

 

2. Kohlebürsten- und Schleifringkonstruktion

Bürstenmotoren nutzen Kohlebürsten und Schleifringe zur Übertragung elektrischer Energie. Diese Teile verschleißen mit der Zeit, was den Wartungsaufwand erhöht. Bei bürstenlosen Motoren hingegen entfallen die Kohlebürsten und die Schleifringstruktur, wodurch der Verschleiß dieser Komponenten vermieden wird und die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Motors verbessert wird.

 

3. Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit und hoher Leistung

Bürstenlose Motoren können bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Leistung erzielen und große Lasten ohne Drehzahlminderer direkt antreiben, wodurch die Komplexität und Größe der mechanischen Ausrüstung reduziert wird.

 

4. Volumen und Gewicht

Bürstenlose Motoren sind klein und leicht, verfügen jedoch über eine sehr hohe Leistungsabgabe, was ihnen bei tragbaren und kompakten Geräten einen Vorteil verschafft.

 

5. Drehmomenteigenschaften

Der bürstenlose Motor verfügt über hervorragende Drehmomenteigenschaften, insbesondere bei niedrigen und mittleren Drehzahlen. Durch sein hohes Anlaufdrehmoment und seinen geringen Anlaufstrom eignet er sich für Anwendungsszenarien, die häufiges Starten und Stoppen erfordern.

 

6. Geschwindigkeitsregulierung und Überlastfähigkeit

Der bürstenlose Motor verfügt über eine stufenlose Geschwindigkeitsregulierungsfunktion, einen großen Bereich der Geschwindigkeitsregulierung und eine starke Überlastfähigkeit, wodurch er sich an eine Vielzahl komplexer Arbeitsbedingungen anpasst.

 

7. Anfahr- und Bremsverhalten

Bürstenlose Motoren mit guten Sanftanlauf- und Sanftstoppeigenschaften können herkömmliche mechanische oder elektromagnetische Bremsvorrichtungen überflüssig machen und so die Komplexität des Systems weiter vereinfachen.

 

8. Effizienz und Energieeinsparung

Bürstenlose Motoren haben einen hohen Wirkungsgrad, da sie keine Kohlebürsten und keine Erregungsverluste aufweisen. Da bürstenlose Motoren gleichzeitig eine mehrstufige Drehzahlreduzierung überflüssig machen, kann die kombinierte Energieeinsparung 20 bis 60 % oder sogar mehr betragen.

 

9. Zuverlässigkeit und Stabilität

Bürstenlose Motoren sind stabil, einfach zu reparieren und zu warten, anpassungsfähig und funktionieren in einer Vielzahl rauer Umgebungen, wie z. B. bei holprigen und vibrierenden Bedingungen, gut.

 

10. Lärm und Lebensdauer

Bürstenlose Motoren laufen leiser und gleichmäßiger, mit weniger Vibrationen und Geräuschen und haben eine längere Lebensdauer als Bürstenmotoren, da keine Kohlebürsten verschleißen.

 

11. Funken und Explosivität

Bürstenmotoren können durch den Kontakt von Kohlebürsten Funken erzeugen, wohingegen bürstenlose Motoren dieses Problem nicht haben und sich besonders für Orte eignen, an denen Explosionsschutz erforderlich ist. Darüber hinaus können je nach Bedarf bürstenlose Motoren mit trapezförmigen oder sinusförmigen Magnetfeldern ausgewählt werden, um die Leistung weiter zu optimieren.

 

 

Nachdem wir die Grundkonzepte und Vorteile des bürstenlosen Gleichstrommotors verstanden haben, sollten wir auch verstehen, wie er funktioniert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bürstenmotoren verwendet er ein elektronisches Steuersystem zur Regulierung des Stroms und der Kommutierung zum Antrieb des Rotors. Im Folgenden finden Sie eine Einführung in die Funktionsweise eines bürstenlosen Gleichstrommotors und seine Hauptkomponenten.

 

1. Elektronische Kommutierungssysteme

Das zentrale Merkmal eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist das Fehlen von Bürsten und mechanischen Kommutatoren, die in herkömmlichen Motoren zu finden sind. Stattdessen gibt es ein elektronisches Kommutierungssystem, das von einer Leiterplattenbaugruppe gesteuert wird. Das System ändert die Stromrichtung entsprechend der Position des Rotors und ermöglicht so eine kontinuierliche Drehung des Rotors. Die Position des Rotors wird üblicherweise mittels Hall-Sensoren oder anderen Positionsdetektoren überwacht und die elektronische Steuerung passt den Wicklungsstrom kontinuierlich entsprechend den Sensorsignalen an.

 

2. Stator-Rotor-Interaktion

Der Stator eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist feststehend und besteht aus einem Statorkern und darum gewickelten Wicklungen. Wenn Strom durch die Wicklungen fließt, entsteht ein rotierendes Magnetfeld. Dieses vom Stator erzeugte Magnetfeld interagiert mit den Magneten (Permanentmagneten) im Rotor, um den Rotor anzutreiben.

 

Stator:Die Statorwicklungen erzeugen ein elektromagnetisches Feld, das sich mit dem Strom dreht und von einem elektronischen Kommutierungsregler angetrieben wird.

 

Rotor:Der Rotor besteht aus Magneten und einem Rotorkern. Wenn sich das elektromagnetische Feld des Stators ändert, werden die Permanentmagnete am Rotor anziehenden und abstoßenden Kräften ausgesetzt und beginnen zu rotieren.

 

3. Wichtige Schritte im Betrieb

Beginn:Wenn Strom durch die Statorwicklungen fließt, interagiert das von den Statorwicklungen erzeugte Magnetfeld mit den Permanentmagneten am Rotor und erzeugt ein Drehmoment, das den Rotor in Drehung versetzt. Bürstenlose Motoren haben ein hohes Anlaufdrehmoment und einen relativ niedrigen Anlaufstrom.

 

Leerlaufbetrieb:Ohne externe Last arbeitet der Motor mit hoher Effizienz und die elektronische Steuerung passt den Strom in den Wicklungen entsprechend der Sensorrückmeldung an, um den Rotor konstant rotieren zu lassen.

 

Laufen unter Last:Wenn der Motor an eine Last angeschlossen ist, erzeugt der Rotor mehr Drehmoment, um die Last zu überwinden. Der elektronische Kommutator passt den Strom automatisch an die Laständerungen an und sorgt so für einen reibungslosen Motorlauf bei unterschiedlichen Belastungen.

 

4. Drehmomenteigenschaften und Geschwindigkeitsregelung

Bürstenlose Gleichstrommotoren bieten hervorragende Drehmomenteigenschaften, insbesondere bei niedrigen und mittleren Drehzahlen. Aufgrund der stufenlosen Geschwindigkeitsregulierungsfunktion und des großen Geschwindigkeitsbereichs ist der Motor in der Lage, bei verschiedenen Geschwindigkeiten ein stabiles Drehmoment aufrechtzuerhalten. Aufgrund dieser Eigenschaft eignen sich BLDC-Motoren für eine Vielzahl von Anwendungen, die eine hochpräzise Steuerung erfordern, wie z. B. industrielle Automatisierung und Elektrowerkzeuge.

 

5. Vorteile elektronischer Steuerungen

Die Lebensdauer und Effizienz von BLDC-Motoren wird durch das elektronische Kommutierungssystem, das die Kohlebürsten und den Kommutator in herkömmlichen Motoren ersetzt, erheblich verbessert. Es gibt keine Bürsten im Motor, die verschleißen könnten, was den Wartungsaufwand reduziert und Geräusche und elektromagnetische Störungen reduziert. Darüber hinaus ermöglicht die elektronische Steuerung einen sanften Start und ein sanftes Stoppen, was zu einem gleichmäßigeren Betrieb des Motors und weniger Auswirkungen auf die mechanische Struktur führt.

 

 

Im Herstellungsprozess eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist die Montage der Schlüsselkomponenten die Grundlage für den effizienten Betrieb des Motors. Das Folgende ist ein typischer Aufbau und Herstellungsprozess eines unserer (VSD) bürstenlosen Gleichstrommotoren mit Innenrotor.

 

Einführung in die Hauptkomponenten

1. vordere Endabdeckung 2. Gehäuse 3. Wicklungen 4. Statorkern

5. Permanentmagnete 6. Rotorkern 7. hintere Wicklungsspulen und vordere Wicklungsspulen 8. Leiterplattenbaugruppen

9. Vordere Lager und hintere Lager 10. Hintere Endabdeckung 11. Wellen 12. Distanzstücke und Sicherungsringe

 

Herstellungsprozess

Montage der Statorbaugruppe

Zuerst wird der Statorkern im Gehäuse befestigt, dann werden die Wicklungen auf den Statorkern gewickelt und die Wicklungen werden mit vorderen und hinteren Wickelkörpern fixiert, um sicherzustellen, dass die Spulen sauber ausgerichtet sind und nicht durch äußere Vibrationen oder Reibung beeinträchtigt werden. Nachdem die Wicklung abgeschlossen ist, wird die Leiterplattenbaugruppe angeschlossen, um die Stromregelung und -steuerung des Motors zu unterstützen.

 

Montage der Rotorbaugruppe

Für einen festen Sitz sind am Rotorkern Permanentmagnete angebracht. Der Rotorkern ist an der Welle befestigt, um einen präzisen Spalt zwischen den Permanentmagneten und den Statorwicklungen zu gewährleisten und so die effektive Wirkung des Magnetfelds sicherzustellen.

 

Montage von Lagern und anderen Halterungen

Installieren Sie die vorderen und hinteren Lager an der vorderen Endkappe und der hinteren Endkappe, um die reibungslose Drehung der Motorwelle zu unterstützen. Installieren Sie außerdem die Distanzstücke und Sicherungsringe, um sicherzustellen, dass die Lager und andere Teile sicher und nicht locker sind.

 

Komplette Maschinenmontage

Montieren Sie nacheinander Gehäuse, Stator, Rotor, Welle sowie vordere und hintere Endkappen. Stellen Sie sicher, dass jedes Teil fest sitzt, insbesondere sollte der Spalt zwischen Stator und Rotor genau eingestellt sein, um einen effizienten Betrieb des Motors zu gewährleisten.

 

Testen und Debuggen

Nach dem Zusammenbau des Motors wird der Motor auf Funktion geprüft, einschließlich Leerlauftest, Lasttest und Drehmomentcharakteristiktest, um sicherzustellen, dass der Motor die Konstruktionsanforderungen erfüllt und reibungslos und ohne Auffälligkeiten arbeitet.

 

 

Um den ordnungsgemäßen Betrieb und die stabile Leistung eines gut gefertigten bürstenlosen Gleichstrommotors sicherzustellen, ist es notwendig, den Status des Motors regelmäßig zu überprüfen. Im Folgenden finden Sie gängige Methoden zur Überprüfung eines bürstenlosen Gleichstrommotors:

 

1. Leerlauftest

Beim Leerlauftest wird der Betrieb eines bürstenlosen Gleichstrommotors überprüft, wenn keine externe Last angeschlossen ist, um sicherzustellen, dass der Motor ordnungsgemäß startet und läuft. Die Schritte sind wie folgt:

 

Testschritte:

Schließen Sie den Motor an die Stromversorgung des Antriebs an und achten Sie darauf, dass keine externen Lasten vorhanden sind.

 

Erhöhen Sie die Eingangsspannung schrittweise und beobachten Sie, ob der Motor reibungslos starten kann.

 

Überwacht die Motorgeschwindigkeit und den Betriebsstrom, um sicherzustellen, dass Motorgeschwindigkeit und -strom im normalen Bereich für die Nennspannung liegen.

 

Kontrollpunkte:

Läuft der Motor über den gesamten Spannungsbereich ruhig?

 

Gibt es beim Start ungewöhnliche Geräusche oder Überhitzung?

 

Ob der Leerlaufstrom den technischen Anforderungen entspricht. Wenn der Leerlaufstrom zu groß ist, kann dies auf einen Fehler in der Wicklung oder im Stromkreis hinweisen.

 

2. Belastungstest

Beim Belastungstest wird die Leistung des Motors unter Last überprüft, um sicherzustellen, dass er die Konstruktionsanforderungen erfüllen kann. Die spezifischen Vorgänge sind wie folgt:

 

Testschritte:

Verbinden Sie den Motor mit externen Lasten wie Antrieben, Geräten oder Prüfständen.

 

Betreiben Sie den Motor unter verschiedenen Lastbedingungen und zeichnen Sie Drehzahl, Drehmoment und Strom des Motors auf.

 

Erhöhen Sie die Belastung schrittweise und beobachten Sie die Reaktion und Stabilität des Motors unter verschiedenen Belastungen.

 

Kontrollpunkte:

Ob der Motor bei Nennlast dauerhaft reibungslos laufen kann.

 

Ändert sich der Motorstrom und das Drehmoment wie erwartet, wenn die Last erhöht wird?

 

Überprüfen Sie den Motor auf ungewöhnliche Vibrationen, Überhitzung oder Geräusche und stellen Sie sicher, dass der Motor unter Last nicht schlechter wird.

 

3. Prüfung der Drehmomentcharakteristik

Beim Drehmomentcharakterisierungstest wird die Drehmomentabgabe eines bürstenlosen Gleichstrommotors bei verschiedenen Drehzahlen bewertet, um sicherzustellen, dass der Motor beim Start und Betrieb ausreichend Leistung liefern kann.

 

Testschritte:

Verwenden Sie Drehmomentmessgeräte, um die Drehmomentabgabe des Motors bei verschiedenen Drehzahlen und Lasten zu überwachen.

 

Testen Sie das Anlaufdrehmoment des Motors, um sicherzustellen, dass bei niedrigem Anlaufstrom ein ausreichendes Drehmoment vorhanden ist.

 

Testen Sie die Drehmomenteigenschaften des Motors bei Betrieb mit niedriger und mittlerer Drehzahl, um zu prüfen, ob die Designanforderungen erfüllt sind.

 

Kontrollpunkte:

Ob beim Anlauf genügend Anlaufdrehmoment vorhanden ist, um einen reibungslosen Start der Anlage zu gewährleisten.

 

Ob das Drehmoment bei niedrigen und mittleren Drehzahlen stabil bleibt und ob es für die Betriebsbedingungen des Motors über einen längeren Zeitraum geeignet ist.

 

Ob während des Tests eine instabile Drehmomentabgabe auftritt oder nicht, kann mit einem Wicklungs- oder Steuerkreisfehler zusammenhängen.

 

Durch die oben genannten drei Tests können Sie grundsätzlich ein umfassendes Verständnis der Leistung eines bürstenlosen Gleichstrommotors erlangen, um sicherzustellen, dass dieser unter verschiedenen Betriebsbedingungen stabil und zuverlässig arbeiten kann. Regelmäßige Inspektionen tragen dazu bei, potenzielle Probleme rechtzeitig zu erkennen und die Lebensdauer des Motors zu verlängern.