Gleichstrommotoren mit Bürsten vs. bürstenlose Gleichstrommotoren: Hauptunterschiede

Was ist ein Gleichstrommotor?

Ein Gleichstrommotor ist eine elektrische Maschine, die Gleichstromleistung in mechanische Bewegung umwandelt. Es gibt eine große Vielfalt an Motoren für verschiedene Anwendungen und Leistungsanforderungen, von winzigen Geräten – nur wenige Millimeter im Durchmesser – für medizinische Geräte bis hin zu kundenspezifischen Konstruktionen, die Tausende von Pferdestärken erzeugen.

Bürstenmotoren vs. bürstenlose Motoren

Die beiden häufigsten Typen von DC-Motoren sind als Bürsten-DC und bürstenlose DC (BLDC) bekannt. Obwohl die zugrunde liegende Physik dieselbe ist, unterscheiden sie sich stark in Konstruktion, Leistungsmerkmalen und Steuerungsmethoden.
 
Welcher ist der beste für Ihre Anwendung? Nun, wie vieles im Leben lautet die Antwort „es kommt darauf an.“ Es gibt Vor- und Nachteile eines gebürsteten Motors gegenüber einem bürstenlosen Motor. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf beide DC-Motor-Technologien und beleuchten dieses komplexe Thema ein wenig.

Wie Bürstenmotoren funktionieren

Bürsten-Gleichstrommotoren wurden erstmals im 19. Jahrhundert erfunden und gehören zu den einfachsten Motortypen. Sie waren der erste weit verbreitete Typ, da sie aus frühen Gleichstrom-Beleuchtungsstromverteilungssystemen betrieben werden konnten.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, besteht ein typischer Bürsten-Gleichstrommotor aus einem rotierenden Anker und einem stationären Stator.
 
Der Anker (auch Rotor genannt) enthält eine oder mehrere Wicklungen aus isoliertem Draht, die um einen weichen Eisenkern gewickelt sind. Die Wicklungen bilden eine oder mehrere Spulen und sind elektrisch mit dem Kommutator verbunden, einem Zylinder, der aus mehreren Metallkontaktsegmenten um die Ankerwelle besteht. Der Stator umschließt den Rotor und enthält entweder Permanentmagnete oder Elektromagnete zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Die Bürsten sind elektrische Kontakte, hergestellt aus einem weichen Material wie Kohlenstoff, die gefedert sind, um Kontakt mit den Segmenten des Kommutators herzustellen, während sich die Welle dreht.

Rolle der Bürsten in Gleichstrommotoren

Wenn eine Gleichstromquelle mit den Bürsten verbunden wird, werden die Ankerwicklungen erregt, wodurch sie in einen Elektromagneten verwandelt werden und sich so drehen, dass ihre Nord- und Südpole mit den Süd- und Nordpolen des Stators ausgerichtet sind. Während sich der Kommutator dreht, bewirkt die Bewegung, dass sich die Polarität des Stroms in der Ankerwicklung—und die Richtung des Magnetfelds—umdreht. Der Anker dreht sich in Richtung seiner neuen Ausrichtung, der Strom kehrt erneut um, und der Anker dreht sich weiter.
 
Diese Methode der Stromumkehr wird als mechanische Kommutierung bezeichnet—die mechanische Drehung der Welle liefert das notwendige Feedback, um die Strompolarität zu wechseln.
 
Durch Variation der Anordnung der Wicklungen wurden mehrere Varianten des Gleichstrom-Bürstenmotors entwickelt, mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen; es gibt fünf grundlegende Typen. Die ersten vier Typen verwenden Spulen sowohl im Stator als auch im Rotor (Anker) und verwenden daher ausschließlich Elektromagnete.

Arten von Bürsten-Gleichstrommotoren und ihre Anwendungen

Ein Gleichstrom-Schleifringmotor mit Nebenschlusswicklung hat den Rotor und die Statorfeldspulen parallel geschaltet; er läuft mit konstanter Geschwindigkeit unabhängig von der Last. Diese selbstregulierende Eigenschaft macht ihn weit verbreitet in industriellen Anwendungen mit konstanter Geschwindigkeit.
 
Ein Gleichstrom-Schleifringmotor mit Serienwicklung hat die beiden Spulen in Serie gewickelt; seine Geschwindigkeit variiert mit der Last und erhöht sich, wenn die Last abnimmt, aber hat ein sehr hohes Anlaufdrehmoment, weshalb er häufig für Anwendungen mit kurzer Dauer wie Automobilstarter verwendet wird.
 
Ein Gleichstrom-Schleifringmotor mit Kompundwicklung ist eine Kombination aus Nebenschluss- und Serienwicklungsmotoren mit Merkmalen von beiden. Kompundwicklungen werden normalerweise eingesetzt, wenn sowohl schwierige Startbedingungen vorliegen als auch konstante Geschwindigkeit erforderlich ist.
 
Ein separat erregter Gleichstrom-Schleifringmotor hat separate Spannungsversorgungen für Rotor und Stator, die sowohl hohen Statorfeldstrom als auch ausreichende Ankerspannung ermöglichen, um den erforderlichen Rotordrehmomentstrom zu erzeugen. Diese Art von Motor wird eingesetzt, wenn eine hohe Drehmomentausgabe bei niedrigen Geschwindigkeiten erforderlich ist.
 
Ein Gleichstrom-Schleifringmotor mit Dauermagneten enthält Dauermagnete im Stator, wodurch kein externer Feldstrom benötigt wird. Diese Bauweise ist kleiner, leichter und energieeffizienter als andere Typen von Gleichstrom-Schleifringmotoren; sie wird häufig in Anwendungen mit geringer Leistung bis zu etwa 2 PS eingesetzt.

Wie man die Geschwindigkeit von Bürsten-Gleichstrommotoren steuert

Mit der mechanischen Kommutierung ist die Steuerung eines Bürsten-Gleichstrommotors konzeptionell sehr einfach. Ein Motor mit fester Drehzahl benötigt lediglich eine Gleichspannung und einen Ein/Aus-Schalter; durch Ändern der Spannung wird die Geschwindigkeit über einen weiten Bereich verändert.
 
Für Anwendungen, die eine komplexere Steuerung erfordern, kann eine übliche Schaltungstopologie wie die im Figure 2 gezeigte H-Brücke verwendet werden. Durch gleichzeitiges Einschalten der Transistoren Q1 und Q4 oder gleichzeitiges Einschalten der Transistoren Q3 und Q2 fließt der Strom durch den BDC-Motor in die eine oder andere Richtung und ermöglicht eine bidirektionale Bewegung.

Zur Geschwindigkeitsregelung wird ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal verwendet, um eine Durchschnittsspannung zu erzeugen. Die Motorwicklung fungiert als Tiefpassfilter, so dass eine hochfrequente PWM-Wellenform einen stabilen Strom in der Motorwicklung erzeugen wird. Für eine präzisere Geschwindigkeitsregelung kann ein Geschwindigkeitssensor wie ein Hall-Effekt-Sensor oder ein optischer Encoder hinzugefügt werden, um ein geschlossener Regelkreis-System zu bilden.

Grundlagen des Gleichstrommotors mit Bürsten

Bürstenmotoren im Vergleich zu bürstenlosen Motoren sind kostengünstig und zuverlässig und haben ein hohes Verhältnis von Drehmoment zu Trägheit. Da sie nur wenige oder keine externen Komponenten benötigen, eignen sie sich auch für den Einsatz unter rauen Bedingungen.
 
Der Nachteil ist, dass die Bürsten im Laufe der Zeit abgenutzt werden und Staub erzeugen; Bürstenmotoren erfordern eine regelmäßige Wartung zum Reinigen oder Ersetzen der Bürsten. Weitere Nachteile sind schlechte Wärmeableitung aufgrund von Beschränkungen des Rotors, hohe Rotormasse, niedrige Höchstgeschwindigkeit und elektromagnetische Interferenzen (EMI), die durch Bürstenfeuer erzeugt werden.

Wie bürstenlose Motoren funktionieren

Das zugrunde liegende Betriebsprinzip eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC) ist dasselbe wie das eines Bürsten-Gleichstrommotors—Kommutierungssteuerung unter Verwendung von internem Wellenpositions-Feedback,— doch die Bauweise ist sehr unterschiedlich.
 
Im Gegensatz zum Bürsten-Gleichstrommotor ist der Permanentmagnet beim BLDC auf dem Rotor montiert; der Stator besteht aus geschlitztem, laminiertem Stahl und enthält die Spulenwicklungen.
 
BLDCs verwenden auch keine Kohlebürsten oder einen mechanischen Kommutator. Die Drehung des Rotors wird durch die sukzessive Aktivierung der Spulen um den Stator erzwungen, und die Kommutierung erfolgt über einen komplexen elektronischen Controller in Verbindung mit einem Rotorpositionssensor (z.B. Foto-Transistor-LED, elektromagnetische Sensoren oder Hall-Effekt-Sensoren).
 
Die Bauweise des BLDC ermöglicht es, weniger internen Widerstand und eine viel bessere Wärmeabfuhr in den Statorspulen zu haben. Dies führt zu höherer Betriebseffizienz, da die Wärme von den Spulen effizienter über das viel größere stationäre Motorgehäuse abgeführt werden kann.
 
Die Statorwicklungen können entweder in einer Stern- (oder Y-) oder einer Delta-Konfiguration angeordnet werden. Die Stahllamellen können geschlitzt oder schlitzlos sein. Ein schlitzloser Motor hat eine geringere Induktivität, sodass er bei höheren Geschwindigkeiten laufen kann und bei langsameren Geschwindigkeiten weniger Wellen zeigt. Der Hauptnachteil eines schlitzlosen Stators ist seine höheren Kosten, da er mehr Wicklungen benötigt, um den größeren Luftspalt auszugleichen.
 
Die Anzahl der Pole im Rotor kann je nach Anwendung variieren. Die Erhöhung der Anzahl der Pole erhöht das Drehmoment, verringert jedoch die maximale Geschwindigkeit. Das Material, das zur Herstellung der Permanentmagnete verwendet wird, beeinflusst ebenfalls das maximale Drehmoment, das mit der Flussdichte zunimmt.

Erfahren Sie mehr darüber, was ein BLDC ist und wie er funktioniert.

Bürstenlose DC-Motorsteuerung

Da die Kommutierung elektronisch durchgeführt werden muss, ist die BLDC-Steuerung erheblich komplexer als die oben diskutierten einfachen Schemata, und es werden sowohl analoge als auch digitale Steuerungsmethoden verwendet. Der grundlegende Steuerungsblock ähnelt dem Ansatz des Bürsten-Gleichstrommotors, aber eine Regelung im geschlossenen Regelkreis ist obligatorisch.

Es gibt drei primäre Arten von Steuerungsalgorithmen, die für die BLDC-Motorsteuerung verwendet werden: trapezförmige Kommutierung, sinusförmige Kommutierung und Vektor- (oder feldorientierte) Steuerung. Jeder Steuerungsalgorithmus kann auf unterschiedliche Weise implementiert werden, abhängig von Software-Codierung und Hardware-Design, und jeder bietet unterschiedliche Vor- und Nachteile.

Trapezkommutierung erfordert die einfachsten Steuerungsschaltungen und Software und ist ideal für Anwendungen im unteren Bereich. Sie nutzt einen Sechs-Schritt-Prozess unter Verwendung von Rotorpositions-Rückmeldungen. Trapezkommutierung steuert die Motordrehzahl und -leistung effektiv, leidet jedoch unter Drehmomentschwankungen während der Kommutierung, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten.
 
Sensorlose Kommutierung – die Rotorposition wird durch Messung der Gegen-EMK des Motors geschätzt – bietet ähnliche Leistung wie die Hall-Effekt-Methode, jedoch auf Kosten einer erhöhten Algorithmuskomplexität. Durch die Eliminierung der Hall-Effekt-Sensoren und ihrer Schnittstellenschaltungen reduziert die sensorlose Kommutierung die Komponenten- und Installationskosten und vereinfacht das Systemdesign.
 
Sinuskommutierung nutzt die Modulation der Trägerfrequenz, um den Motor anzutreiben, wobei die drei Wicklungsströme gleichzeitig gesteuert werden, sodass sie sich glatt und sinusförmig verändern, während der Motor dreht. Diese Technik bietet eine gleichmäßige und präzise Motorsteuerung, indem sie die mit der Trapezmethode verbundenen Drehmomentschwankungen und Kommutierungsspitzen eliminiert. Sie kann als offenes oder geschlossenes Regelsystem mit einem zusätzlichen Geschwindigkeitssensor betrieben werden und wird typischerweise in Anwendungen mit mittlerer Leistung eingesetzt, die sowohl Geschwindigkeits- als auch Drehmomentsteuerung erfordern. Das komplizierte Sinuskommutierungsschema erfordert jedoch zusätzliche Rechenleistung und Steuerungselektronik zur Implementierung.
 
Vektorkontrolle ist aufgrund ihres komplexen Designs und der hohen Anforderungen, die sie an den Mikrocontroller stellt, Anwendungen im oberen Bereich vorbehalten. Der Algorithmus verwendet Phasenstrom-Rückmeldungen, um Spannungs- und Frequenzvektoren zu berechnen und den Motor zu kommutieren. Vektorkontrolle bietet präzise dynamische Steuerung von Geschwindigkeit und Drehmoment und ist über einen großen Betriebsbereich effizient.
 
Es kann auch eine sensorlose Technik verwendet werden; ein Shunt überwacht den Motorstrom, und der Algorithmus vergleicht die Ergebnisse mit einem gespeicherten mathematischen Modell der Motorbetriebsparameter. Diese Methode reduziert die Kosten der Rückmeldegeräte, erhöht jedoch erheblich die Anforderungen an die Verarbeitung des MCU.

Vergleich der BLDC-Steuerungsstrategien

Wie schneiden die verschiedenen Regelstrategien ab? Wie zu erwarten, hat der einfache trapezförmige Ansatz die schlechteste Drehmomentregelung, stellt aber keine hohen Anforderungen an den Mikrocontroller oder das Steuergerät. Am anderen Ende des Spektrums bietet die Vektorregelung (auch als feldorientierte Regelung oder FOC bekannt) eine hervorragende Kontrolle sowohl der Geschwindigkeit als auch des Drehmoments, verlangt jedoch viel von den Mikrocontroller-Anforderungen.

Unterschied zwischen Bürsten- und bürstenlosen Motoren

Da sie keinen mechanischen Kommutator oder Bürsten haben, die sich abnutzen könnten, sind bürstenlose Gleichstrommotoren wartungsarm und funken nicht. Darüber hinaus haben sie weniger Wellendrehung und Trägheit, weniger hörbaren Lärm und ein viel besseres Drehmoment-Gewichts-Verhältnis (Leistungsdichte), sodass sie viel kleiner sind als ein vergleichbarer Bürsten-Gleichstrommotor.
 
Im Vergleich zu Bürsten-Gleichstrommotoren haben BLDC-Motoren mehrere Leistungsvorteile. Sie bieten hohes Anlaufdrehmoment, und das Drehmoment bleibt bis zur Nenngeschwindigkeit konstant. Aufgrund der Echtzeit-Elektroniksteuerung ist ihre Geschwindigkeitsregelung präzise und unempfindlich gegenüber Lastschwankungen. Da die Wärme im äußeren Stator und nicht im inneren Rotor erzeugt wird, sind sie leichter kühl zu halten. Und das Fehlen von Bürsten bedeutet, dass sie weniger elektrischen Lärm erzeugen und mit höheren Geschwindigkeiten laufen können—bis zu 100.000 U/min in einigen Fällen.

Verfügbare Lösungen zur Steuerung von DC-Motoren mit und ohne Bürsten

Wie wir gesehen haben, ist die einfache Steuerung von DC-Motoren mit Bürsten leicht zu erreichen, während eine präzisere BDC- und BLDC-Steuerung alles andere als einfach ist.
 
Die gute Nachricht ist, dass mehrere verfügbare Lösungen von der Stange erhältlich sind, die Motoren mit geeigneten Controllern kombinieren. Auf Geräteebene bietet Arrow Electronics zahlreiche Motorcontroller von führenden Anbietern an, die sowohl für Bürsten- als auch für bürstenlose Motoren geeignet sind. Darüber hinaus bieten viele Anbieter aufgrund des großen Marktes für Motorsteuerungen Entwicklungskits, Referenzdesigns und Softwarebibliotheken, die speziell auf die Steuerung von Gleichstrommotoren ausgerichtet sind.

Bürstenmotoren vs. bürstenlose Motoren: Welcher ist der beste für Sie?

Sie haben viele Möglichkeiten, wenn es darum geht, die richtige Gleichstrom-Motortechnologie für Ihre Anwendung auszuwählen.
 
Wie wäre es mit einem platzsparenden Medizinprodukt, bei dem Wartung keine Option ist? Beginnen Sie mit der Suche nach einer bürstenlosen Lösung. Ist Ihr Hauptanliegen niedrige Kosten? Vielleicht ist ein Permanentmagnet-Gleichstrommotor die richtige Wahl für Sie.
 
Ist sehr präzise Steuerung erforderlich? Erwägen Sie einen BLDC, möglicherweise mit einer digitalen Steuerungsstrategie. Einfaches Steuerungsschema? Schauen Sie sich eine Bürsten-Gleichstromvariante an.
 
Wie auch immer, jetzt, da Sie die relativen Vorzüge der bürstenlosen vs. gebürsteten Motortechnologie verstehen, sollten Sie in einer besseren Position sein, um die beste Wahl zu treffen.