Alle Geheimnisse bürstenloser Motoren enthüllt

Der bürstenlose Gleichstrommotor (Brushless DC Motor) hat die Branche der elektrischen Antriebssysteme revolutioniert. Er ist langlebig, effizient und zeichnet sich durch ein kompaktes, durchdachtes Design aus, das Fahrzeugen wie RC‑Autos und Drohnen eine optimale Effizienz und präzise Steuerung ermöglicht.

Dieser Artikel widmet sich den bürstenlosen Elektromotoren und beleuchtet ihre Struktur, verschiedene Typen, Anwendungen sowie ihre Vorteile.

Was ist ein bürstenloser Motor?

Ein bürstenloser Motor (BLDC oder BL) ist ein Elektromotor, der mit Gleichstrom (DC) betrieben wird und – im Gegensatz zu herkömmlichen Bürstenmotoren – keine mechanischen Bürsten und keinen Kommutator zur Funktion benötigt. Obwohl die Anschaffungskosten zunächst höher sind, bietet dieser Motortyp deutliche Vorteile gegenüber seinem Gegenstück und erweist sich langfristig als kosteneffizienter.

Der erste bürstenlose Gleichstrommotor, der als „DC‑Maschine mit Festkörperkommutierung“ bezeichnet wurde, wurde 1962 von T. G. Wilson und P. H. Trickey erfunden. Diese Entwicklung war das Ergebnis der Fortschritte in der Halbleitertechnologie Anfang der 1960er‑Jahre.

Frühe BLDC-Motoren hatten trotz ihrer hohen Langlebigkeit den Nachteil, dass sie nicht besonders viel Leistung erzeugen konnten. Erst mit der Verfügbarkeit stärkerer Permanentmagnetmaterialien in den 1980er-Jahren konnten sie ebenso viel oder sogar mehr Leistung erzeugen als Bürstenmotoren.

Ende der 1980er-Jahre entwickelte Robert E. Lordo den ersten bürstenlosen Gleichstrommotor im großen Maßstab, der etwa zehnmal mehr Leistung als frühere Modelle erzeugen konnte.

Moderne BLDC-Motoren haben viele der Nachteile von Bürstenmotoren überwunden. Sie vereinen eine höhere Ausgangsleistung, geringere Größe und Gewicht,bessere Wärmeableitung und Effizienz, breitere Drehzahlbereiche sowie extrem geringe elektrische Störungen.

Da sie keine mechanischen Teile besitzen, die sich abnutzen können, bieten sie eine höhere Zuverlässigkeit und kürzere Wartungsintervalle in kommerziellen und industriellen Anwendungen.

Bürstenlose Elektromotoren sind die bevorzugte Wahl für Computer-Festplattenlaufwerke, Robotik und Flugzeuge, da sie keinen physischen Kommutator benötigen .

Wie funktioniert ein bürstenloser Elektromotor?

Bürstenlose Elektromotoren bestehen aus einem Rotor, einem Stator und einer elektronischen Steuereinheit.

Die Statorwicklung erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, das den magnetischen Rotor in Bewegung setzt.

Um dieses Magnetfeld zu erzeugen, wird der Spule eine Dreiphasenspannung zugeführt.

Doch wie erkennt das System, welche Spulen gerade mit Strom versorgt werden und welche versorgt werden sollten? Zu diesem Zweck wird eine spezielle elektronische Steuereinheit eingesetzt.

Durch einen solchen integrierten Kommutierungsmechanismus wird der Strom zu orthogonalen (senkrecht zueinander stehenden) Wicklungen geschaltet. Außerdem verfügt das System über Sensoren, die die Position des Rotors bestimmen.

Am häufigsten werden Hall‑Sensoren verwendet; daneben kommen jedoch auch photoelektrische Sensoren, induktive Sensoren und Resolver zum Einsatz.

Typen bürstenloser Motoren

Aufgrund ihrer Konstruktion können bürstenlose Gleichstrommotoren in zwei Typen unterteilt werden : Inrunner und Outrunner.

Bei Inrunner-Modellen wird der Rotor von der Statorwicklung umschlossen, während bei Outrunner-Modellen die Anordnung vertauscht ist.

Der Stator eines typischen bürstenlosen Motors besitzt eine Dreiphasenwicklung, während der Rotor Permanentmagnete enthält. Zudem sind Ausführungen mit Einphasen-, Zweiphasen-und Dreiphasenkonfiguration erhältlich.

Wie bereits erwähnt, erzeugt die Statorwicklung ein rotierendes Magnetfeld, das den magnetischen Rotor antreibt. Zur Erzeugung dieses Magnetfelds wird der Spule eine Dreiphasenspannung zugeführt.

Doch wie unterscheidet das System, welche Spulen gerade mit Strom versorgt werden und welche versorgt werden sollten? Zu diesem Zweck wird ein spezieller elektronischer Controller eingesetzt.

Durch einen solchen integrierten Kommutierungsmechanismus wird der Strom zu orthogonalen (senkrecht zueinander stehenden) Wicklungen geschaltet. Außerdem verfügt das System über Sensoren, die die Position des Rotors bestimmen.

Am häufigsten werden Hall‑Sensoren verwendet; daneben kommen jedoch auch photoelektrische Sensoren, induktive Sensoren sowie Resolver zum Einsatz.

Wofür werden bürstenlose Motoren verwendet?

BLDC‑Motoren übernehmen heute viele Aufgaben, die früher von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren erledigt wurden. Allerdings haben hohe Kosten und die komplexe Steuerung bisher verhindert, dass BLDC‑Motoren Bürstenmotoren in allen Bereichen vollständig ersetzen. Dennoch haben sie sich in zahlreichen Anwendungen durchgesetzt, darunter Computerfestplatten sowie CD‑ und DVD‑Player.

In elektronischen Geräten werden kleine Kühlventilatoren ausschließlich von BLDC‑Motoren angetrieben. Ein 12‑V‑bürstenloser Motor ist eine hervorragende Wahl für Haushaltsgeräte und leichte Elektrowerkzeuge, während 18‑V‑ und 20‑V‑Versionen eher für anspruchsvollere Anwendungen eingesetzt werden.

Diese effizienten Motoren sind besonders häufig in Akkuwerkzeugen zu finden, da ihre höhere Effizienz längere Betriebszeiten ermöglicht, bevor der Akku wieder aufgeladen werden muss. Auch Direktantriebs‑Plattenspieler für Schallplatten nutzen langsam laufende, leistungsschwache bürstenlose Motoren.

Viele moderne Akkuwerkzeuge werden heute von bürstenlosen Gleichstrommotoren angetrieben, darunter Rasentrimmer, Laubbläser, Handkreissägen, Säbelsägen sowie Bohrschrauber.

Bei tragbaren, batteriebetriebenen Geräten bieten diese Antriebe gegenüber Bürstenmotoren deutliche Vorteile – etwa geringeres Gewicht und höhere Effizienz. Bei großen, stationären Werkzeugen, die an eine Wechselstrom‑Steckdose angeschlossen sind, fallen diese Vorteile dagegen weniger stark ins Gewicht. Deshalb hat sich die bürstenlose Technologie im Bereich der mobilen Akkuwerkzeuge deutlich schneller durchgesetzt.

Vorteile von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC‑Motoren)

Im Vergleich zu Bürstenmotoren bieten BLDC‑Motoren eine Reihe von Vorteilen:

• Gute lineare mechanische Eigenschaften, die einen großen Drehzahlbereich, stufenlose Drehzahlregelung und flexible Geschwindigkeitsanpassung ermöglichen.
• Hervorragende Drehmomentcharakteristik, besonders bei mittleren und niedrigen Drehzahlen; hohes Anlaufdrehmoment, niedriger Anlaufstrom und hohe Überlastfähigkeit.
• Sanftes Starten und Stoppen sowie gute Bremscharakteristik; bestehende mechanische oder elektromagnetische Bremssysteme können weiterhin verwendet werden.
• Keine Bürstenreibung, dadurch keine Funkenbildung und geringere Wärmeverluste im Vergleich zu Bürstenmotoren.
• Hohe Zuverlässigkeit, Stabilität und Flexibilität bei gleichzeitig geringem Wartungsaufwand.
• Kompakte Bauweise, geringes Gewicht und hohe Leistungsdichte.
• Stoß- und vibrationsfest, geräuscharm, ruhiger Lauf und lange Lebensdauer.

Was sind die Nachteile von bürstenlosen Motoren?

So viele Vorteile bürstenlose Motoren auch haben, es gibt ebenfalls einige Nachteile:

• Kosten:

Die meisten Nachteile von BLDC‑Motoren entstehen durch ihre höhere konstruktive Komplexität. Um die richtige Stromsequenz durch die Statorspulen zu steuern, benötigen BLDC‑Motoren einen elektronischen Schaltcontroller. Das erhöht die Produktionskosten – was sich direkt im höheren Anschaffungspreis widerspiegelt.

• Komplexität:

Mehr Komplexität bedeutet potenziell ein höheres Ausfallrisiko. Zwar konnten wir keine Studien finden, die die Ausfallraten von Werkzeugen mit Bürsten- gegenüber bürstenlosen Motoren vergleichen, aber allgemein wird davon ausgegangen, dass komplexere Systeme eher störanfällig sein können.

Was ist die bessere Wahl: Bürstenmotor oder bürstenloser Motor?

Seit 1856 werden Gleichstrommotoren mit Bürsten für den elektrischen Antrieb, in Kränen, Papiermaschinen und Walzwerken eingesetzt – und sie werden bis heute in vielen Bereichen genutzt.

Bürstenlose Gleichstrommotoren mit elektronischen Drehzahlreglern haben Bürstenmotoren jedoch in zahlreichen Anwendungen weitgehend ersetzt, da sich die Bürsten abnutzen und regelmäßig ausgetauscht werden müssen.

Durch hohe Anforderungen in bestimmten Einsatzbereichen sowie durch starke elektrische Entladungsstörungen (ESD) – insbesondere in Luft- und Raumfahrtanwendungen – wurde der Bürstenverschleiß zu einem gravierenden Nachteil, was zur Entwicklung eines neuen, bürstenlosen Motorkonzepts führte.

Bürstenlose Motoren bieten zunächst einmal eine außergewöhnliche Leistung und eine lange Lebensdauer. Sie werden besonders in Anwendungen eingesetzt, in denen hohe Drehzahlen und eine gute Beständigkeit gegen Überhitzung erforderlich sind.

Solche Motoren kommen unter anderem in Robotern, medizinischen Geräten, CNC‑Maschinen sowie in anderer hochwertiger und kritischer Industrieausrüstung zum Einsatz, häufig auch als Teil von Kühlsystemen. Bürstenlose Geräte gleicher Größe sind in der Regel leistungsstärker als vergleichbare Motoren mit Bürsten.

Darüber hinaus werden sie überall dort eingesetzt, wo langlebige und wartungsarme Elektromotoren benötigt werden.

Je nach Bürstentyp liegt die durchschnittliche Lebensdauer eines Bürstenmotors bei etwa 1.000 bis 3.000 Stunden, während ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)mehrere zehntausend Stunden erreichen kann.

Wenn Sie also einen Motor suchen, der möglichst lange hält, ist ein bürstenloser Motor eindeutig die bessere Wahl.

FAQs

Ist ein bürstenloser Motor wirklich besser?

Ja. Bürstenlose Motoren sind langlebiger und effizienter als Bürstenmotoren. Sie haben eine längere Lebensdauer, erzeugen weniger Geräusche und benötigen deutlich weniger Wartung.

Welche Arten von bürstenlosen Motoren gibt es?

Es gibt zwei Arten von bürstenlosen Motoren: Inrunner und Outrunner.

Bei Inrunner‑Modellen befindet sich der Rotor in der Mitte und wird von den Statorwicklungen umgeben. Bei Outrunner‑Motoren hingegen umgibt der Rotor die Wicklungen.