Grundkenntnisse zu bürstenlosen Gleichstrommotorsystemen

Bislang sind den meisten Menschen bürstenlose Gleichstrommotoren und -treiber unbekannt, obwohl sie ihnen vielleicht schon in Alltagsgeräten wie Klimaanlagen, Waschmaschinen, elektrischen Ventilatoren, Haartrocknern usw. begegnet sind. Aufgrund des fehlenden Kontakts mit den eigentlichen Komponenten ist es normal, dass man nur begrenzte Kenntnisse über das gesamte System hat.

Lassen Sie uns tiefer in die grundlegenden Aspekte bürstenloser Gleichstrommotorsysteme eintauchen.

Bei allen Motoren kommt ein Konzept namens „Kommutierung“ zum Einsatz. Dabei wird der Strom (auf eine bestimmte Weise) umgeschaltet, um den physischen Rotor zu bewegen. Wenn Strom durch die Spule fließt, bewegt sich der Rotor und erzeugt ein Magnetfeld (normalerweise von einem Permanentmagneten erzeugt). Dieses Feld kann das vorhandene Magnetfeld abstoßen oder anziehen, was zu einer Bewegung des Rotors (des beweglichen Teils des Motors) relativ zum Stator (dem stationären Teil des Motors) führt.

Das Konzept der Magnete dient als gute Analogie für die Kommutierung. Wenn man zwei Magnete mit dem gleichen Pol einander gegenüber auf einen Tisch legt, stoßen sie sich gegenseitig ab. Wenn diese Magnete weit genug voneinander entfernt sind, bewegen sie sich nicht mehr. Wenn man einen Magneten näher an den anderen bringt, wird der zweite Magnet aufgrund der Abstoßung weggestoßen. Wenn dieser Prozess fortgesetzt wird, entsteht eine kontinuierliche Bewegung – ein lineares Beispiel für Kommutierung.

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren realisieren mechanische Kommutierung

Das bedeutet, dass die physische Struktur des Motors eine Kommutierung bewirkt. Bürsten haben Kontakt mit dem Kommutator, und wenn sich der Motor dreht, wechselt der Strom, der durch die Motorspule fließt, die Polarität. Dadurch kann das vom Permanentmagneten des Stators erzeugte Magnetfeld immer dem vom Rotor erzeugten Magnetfeld entgegenwirken, wodurch eine kontinuierliche Kraft gewährleistet wird. Mechanische Kommutierung bedeutet, dass ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor zum Drehen nur die Anwendung von Spannung an den Motorwicklungen benötigt.

Viele Leser könnten an dieser Stelle durch den Titel verwirrt sein, da ich bürstenlose Gleichstrommotoren noch nicht besprochen habe. Um jedoch „bürstenlos“ zu erklären, muss ich zunächst klären, wo Bürsten verwendet werden.

Der Ursprung bürstenloser Gleichstrommotoren ist relativ einfach: 

Die meisten Probleme mit bürstenbehafteten Gleichstrommotoren entstehen durch die Bürsten. Bürsten können Funken erzeugen, verschleißen, laute Geräusche machen und zu einem erheblichen Stromverbrauch beitragen, die Geschwindigkeit einschränken und die Kühlung erschweren. Das bedeutet, dass bürstenbehaftete Gleichstrommotoren nicht für Anwendungen in der Nähe von brennbaren Materialien geeignet sind, die eine lange Lebensdauer, einen leisen Betrieb oder eine hohe Effizienz in Hochgeschwindigkeits- oder Hochleistungssystemen erfordern. Dies sind erhebliche Nachteile von Bürsten, die durch deren Beseitigung behoben werden können, wodurch jedoch auch die mechanische Kommutierung entfällt.

Das Fehlen einer mechanischen Kommutierung bringt weitere Probleme mit sich

Denn Motoren benötigen immer noch eine Kommutierung. Bürstenlose Gleichstrommotoren verwenden elektrische Kommutierung, was wie Zauberei klingt, oder? Bei dieser Methode müssen Sie sicherstellen, dass der Strom im Motor konstant ein Magnetfeld erzeugt, das den Rotor bewegen kann. Sie müssen wissen, wo sich der Rotor befindet, um zu überlegen, wie Sie den Strom anwenden, um ihn zu bewegen.

Die erste große strukturelle Entscheidung bei bürstenlosen Gleichstrommotorsystemen ist die Unterscheidung zwischen Systemen mit und ohne Sensor. 

Wenn Sie wissen müssen, wo sich der Rotor befindet, können Ihnen zwei Methoden helfen:

• Bei sensorgestützten Verfahren werden üblicherweise Hall-Effekt-Sensoren oder Encoder verwendet, um die Position des Rotors zu ermitteln. Encoder können zwar eine sehr genaue Winkelrückmeldung liefern, diese Methode ist jedoch mit hohen Kosten verbunden. Der Hall-Effekt-Sensor ist ein beliebter Magnetsensor, und bei dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotoren kann durch den Einsatz von drei Hall-Effekt-Sensoren eine einfache sechsstufige Kommutierung erreicht werden.
• Bei sensorlosen Methoden wird die gegenelektromotorische Kraft (EMK) geschätzt, die beim Drehen des Motors erzeugt wird. Die gegenelektromotorische Kraft ist ein komplexes Thema, das am besten separat erörtert wird. Kurz gesagt handelt es sich dabei um die Spannung, die an der Motorspule erzeugt wird, eine Funktion der Motordrehzahl und -last. Bei sensorlosen Methoden handelt es sich im Wesentlichen um Schätzungen, die häufig komplizierte Berechnungen erfordern. Wenn die Motordrehzahl abnimmt (z. B. bei der Positionssteuerung in Servomotoren), werden sensorlose Methoden aufgrund der abnehmenden gegenelektromotorischen Kraft besonders anspruchsvoll.

Die zweite wichtige strukturelle Entscheidung bei bürstenlosen Gleichstrommotorsystemen ist die Steuerungsmethode. 

Wenn Sie wissen, wo sich der Rotor befindet, und einen bestimmten Strom anwenden müssen, um ihn zu bewegen, benötigen dreiphasige bürstenlose Gleichstrommotoren mindestens sechs verschiedene elektrische Potentiale. Sie können die Steuerungsmethoden „trapezförmig“, „sechsstufig“ oder „120-Grad“ verwenden, um zu bestimmen, wie der bürstenlose Gleichstrommotor kommutiert werden soll.

• Trapezkommutierung
• Sinuskommutierung

Eine andere Methode besteht darin, glattere Stromwellenformen auf den Motor anzuwenden, was als „Sinus-Steuerung“ oder „180-Grad-Steuerung“ bezeichnet wird. 

Diese Steuerungsmethode kann in Kombination mit dem richtigen Motor die Effizienz verbessern und die Geräuschentwicklung verringern, geht jedoch mit einer höheren Komplexität einher und erfordert häufig eine präzisere Pulsweitenmodulation (PWM)-Zeitsteuerung.

Der obige Inhalt bietet eine kurze Einführung in die Grundlagen bürstenloser Gleichstrommotorsysteme. Aufgrund der Breite des Themas werden Details wie die Steuerung der Magnetfeldausrichtung, der Motorstart, Innen- und Außenrotoren, Polzahlen, Δ- (Delta-) und Y-Wicklungen und viele andere Besonderheiten in diesem Artikel nicht behandelt. Wir hoffen jedoch aufrichtig, dass diese Informationen Ihnen dabei helfen, Ihr Wissen über Motoren zu erweitern. 

Dongguan Faradyi Motors Co., Ltd. ist auf den globalen Bereich der industriellen Automatisierung spezialisiert und legt seinen Schwerpunkt auf die Forschung und Entwicklung leistungsstarker, hochwertiger bürstenloser Gleichstrommotoren, Gleichstrom-Servomotoren, Schrittmotoren und zugehöriger Antriebssteuerungen, was das Unternehmen zu einem führenden inländischen Hightech-Unternehmen im Bereich von Bewegungssteuerungstechnologielösungen macht.