Bürstenmotoren kommen in einer Vielzahl von Bereichen zum Einsatz, darunter Industrie-, Medizin- und Sicherheitsgeräte. Aufgrund ihres einfachen Aufbaus und ihrer einfachen Steuerung werden sie von vielen Produktentwicklungsingenieuren bevorzugt.
Andererseits gibt es nicht wenige Ingenieure, die folgende Bedürfnisse haben: „Ich möchte die Funktionsweise von Bürstenmotoren genau verstehen“, „Ich möchte den für unser Produkt am besten geeigneten Motor auswählen“ oder „Ich möchte die Unterschiede zu bürstenlosen Motoren klar erfassen“.
In diesem Artikel werden die grundlegende Bauweise von Bürstenmotoren, ihr Funktionsprinzip, das Prinzip der Stromerzeugung sowie ihre praktischen Eigenschaften aus technischer Sicht umfassend erläutert. Wir stellen Ihnen außerdem Auswahlkriterien vor, die für die Produktentwicklung nützlich sind – sowohl für angehende Ingenieure als auch für erfahrene Techniker –, daher bitten wir Sie, den Artikel bis zum Ende zu lesen.
| Unter der Aufsicht der Vertriebsgruppe für elektronische Bauteile der C.I. TAKIRON Corporation Dieser Artikel wurde auf der Grundlage der hochentwickelten technischen Kompetenz und des Fachwissens erstellt, die wir seit unserer Gründung im Jahr 1919 als führendes Unternehmen in der Kunststoffverarbeitung erworben haben.Unsere Abteilung analysiert kontinuierlich die Markttrends und neuesten Technologien im Bereich ultrakompakter, hochpräziser Mikromotoren und konzentriert sich darauf, Konstrukteuren und Entwicklern Informationen mit hohem Mehrwert zur Verfügung zu stellen. Als Expertenteam mit fundierten Kenntnissen der Produkteigenschaften unterstützen wir Sie durch die Bereitstellung präziser und praxisorientierter Inhalte bei der Lösung Ihrer Herausforderungen und bei technologischen Innovationen. |
Grundlegender Aufbau und Funktionsweise eines Bürstenmotors
Ein Bürstenmotor ist ein Motor mit einfachem Aufbau, der mit Gleichstrom betrieben werden kann.
Ein Bürstenmotor besteht aus vier Hauptkomponenten: dem Rotor, dem Stator, den Bürsten und dem Kommutator. Der von einer Gleichstromquelle gelieferte Strom wird über die Bürsten an den Kommutator weitergeleitet und fließt durch die Rotorwicklung, wodurch gemäß der linken Handregel von Fleming eine Drehkraft entsteht.
Durch den mechanischen Kontakt zwischen den Bürsten und dem Kommutator kommt der „Kommutierungsprozess“ zum Tragen, bei dem sich die Stromrichtung entsprechend der Rotordrehung mechanisch umschaltet, wodurch eine kontinuierliche Drehung ermöglicht wird. Das größte Merkmal dieses Systems ist seine Einfachheit: Es lässt sich ohne externe Steuerkreise betreiben, indem es lediglich direkt an eine Gleichstromquelle angeschlossen wird.
Inhalt dieses Abschnitts
- Die Funktion des Rotors und der Wicklung
- Gleichrichtung durch Bürsten und Kommutator
- Flemings linke Handregel und das Rotationsprinzip
Lassen Sie uns zunächst die grundlegende Struktur und die Funktionsweise verstehen.
Die Funktion des Rotors (Drehkörpers) und der Wicklung
Einige Bürstenmotoren bestehen aus einer auf der Drehachse befestigten Wicklung und einem Eisenkern, wobei durch den Stromfluss ein Magnetfeld erzeugt wird. Durch die Wechselwirkung zwischen dem erzeugten Magnetfeld und den Permanentmagneten (oder Elektromagneten) des Stators entsteht ein Drehmoment, das in eine kontinuierliche Drehbewegung umgewandelt wird.Der Eisenkern des Rotors besteht in der Regel aus laminierten elektromagnetischen Stahlblechen und ist so ausgelegt, dass die magnetische Effizienz gesteigert und gleichzeitig Wirbelstromverluste minimiert werden.
Da die Drehmomentcharakteristik und die Drehzahl von der Auslegung der Wicklung sowie der Polzahl abhängen, ist eine Optimierung entsprechend dem jeweiligen Einsatzzweck erforderlich. Wenn beispielsweise der Drahtdurchmesser der Wicklung vergrößert wird, sinkt der Widerstand, sodass ein höherer Strom fließen kann; dies erleichtert die Erzielung eines hohen Drehmoments. Da jedoch bei gleichem Bauraum die Windungszahl abnimmt, steigt die Drehzahlkonstante (Kv), was zu einer eher auf hohe Drehzahlen ausgerichteten Charakteristik führt.
Umgekehrt führt die Verwendung dünner Drähte bei einer hohen Windungszahl zwar zu einem höheren Widerstand und damit zu einem geringeren Stromfluss, doch durch die erhöhte Windungszahl steigt der Drehmomentkoeffizient (Kt), wodurch sich im niedrigen Drehzahlbereich ein kraftvolles Drehmoment leichter erzielen lässt.
Auf diese Weise lässt sich durch die Kombination aus Drahtdurchmesser und Windungszahl der Wicklung das Verhältnis zwischen Drehmoment und Drehzahl anpassen.
Da bei medizinischen Geräten und optischen Geräten eine hochpräzise Drehzahlregelung erforderlich ist, stellt die Wicklungsauslegung einen entscheidenden Faktor für die Produktleistung dar. Bei Industriewerkzeugen steht ein hohes Drehmoment im Vordergrund, während bei Sicherheitsgeräten der Energieeffizienz besondere Bedeutung beigemessen wird – für jeden Anwendungsbereich ist daher eine optimale Wicklungsauslegung erforderlich.
Gleichrichtungswirkung durch Bürsten und Kommutator
Die Bürsten sind feststehende, leitfähige Bauteile, die den rotierenden Kommutator mit Strom versorgen, während sie mit diesem in Kontakt stehen.Als Werkstoffe für die Bürsten werden Kohlenstoff und Edelmetalllegierungen verwendet, wobei ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leitfähigkeit und Verschleißfestigkeit im Vordergrund steht. Der Kommutator ist ein zylindrisches Bauteil, das in mehrere Segmente unterteilt ist; durch das Umschalten der Kontaktstellen zu den Bürsten entsprechend dem Drehwinkel des Rotors wird die Stromrichtung in der Wicklung mechanisch umgeschaltet.
Je mehr Segmente vorhanden sind, desto gleichmäßiger ist die Kommutierung, wodurch Drehmomentwelligkeiten (Drehzahlschwankungen) reduziert werden. Wenn sich der Rotor dreht, wechseln die Bürsten nacheinander zwischen den Segmenten und schalten die Stromrichtung zum richtigen Zeitpunkt um, wodurch stets eine Drehkraft in derselben Richtung erzeugt wird. Diese mechanische Kommutierung ermöglicht eine stabile, kontinuierliche Drehung ohne externe Steuerung.
Die Zuverlässigkeit von Bürstenmotoren beruht darauf, dass durch den Kontakt zwischen Kommutator und Bürsten trotz ihres einfachen Aufbaus ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist. Die langjährige Einsatzerfahrung in vielfältigen Bereichen, wie beispielsweise bei Industrieanlagen und Sicherheitsgeräten, belegt die Zuverlässigkeit dieses Kommutierungsmechanismus.
Flemings linke Handregel und das Rotationsprinzip
Das Funktionsprinzip eines Bürstenmotors basiert auf der linken Handregel von Fleming. Nach dieser Regel gilt: Wenn man den Daumen, den Zeigefinger und den Mittelfinger der linken Hand im rechten Winkel zueinander ausstreckt, richtet man den Mittelfinger in Richtung des Stromflusses und den Zeigefinger in Richtung des Magnetfelds aus; der Daumen zeigt dann die Richtung der Kraft an.
Wenn in einem Leiter (Wicklung), der sich in einem Magnetfeld befindet, ein Strom fließt, entsteht eine Kraft, die senkrecht zur Richtung des Stroms und zur Richtung des Magnetfelds wirkt. Diese Kraft erzeugt ein Drehmoment am Rotor, und durch die Umschaltung der Stromrichtung mittels Kommutator und Bürsten dreht sich der Rotor kontinuierlich in derselben Richtung.
Obwohl dies je nach Konstruktion variieren kann, wechselt der Rotor in bestimmten Winkelabständen zwischen den Segmente des Kommutators, wodurch sich die Richtung des in der Wicklung fließenden Stroms ändert und die Richtung der Drehkraft stets konstant bleibt. Durch diesen kontinuierlichen Kommutierungsprozess wird eine gleichmäßige Drehbewegung gewährleistet.
Einfache und klare physikalische Prinzipien bilden die Grundlage für die hohe Zuverlässigkeit und Steuerbarkeit von Bürstenmotoren. Die langjährige Einsatzerfahrung in vielfältigen Bereichen, darunter Industrie- und Sicherheitstechnik, belegt die Zuverlässigkeit dieser Grundprinzipien.
Das Prinzip der Stromerzeugung und die Eigenschaften von Bürstenmotoren
Ein Bürstenmotor verfügt über die Eigenschaft der Reversibilität, d. h., er kann nicht nur als Motor, sondern auch als Generator (Dynamo) fungieren. Ein Generator (Dynamo) ist ein Gerät, das Drehbewegung in elektrische Energie umwandelt, und der Bürstenmotor ist in der Lage, diese Umwandlung in beide Richtungen durchzuführen.
Wenn die Maschine von außen mechanisch in Drehung versetzt wird, entsteht in der Wicklung eine elektromotorische Kraft, wodurch über die Bürsten und den Kommutator Gleichstrom entnommen werden kann. Dieses Prinzip der Stromerzeugung spielt als „Gegen-EMK“ (Back EMF) auch während des Motorbetriebs eine wichtige Rolle.
Wenn sich der Motor dreht, entsteht eine Gegen-EMK, wodurch durch die Begrenzung des Versorgungsstroms eine an die Drehzahl angepasste Selbstregelung erfolgt. Da die Gegen-EMK bei einem abrupten Stopp zunimmt, lässt sich die Bremskraft zudem mittels Kurzschlussbremse regulieren.
Inhalt dieses Abschnitts
- Gegen-EMK (Back EMF) und Drehmomentkennlinie
- Die Funktionsweise der Kurzschlussbremsung
- Der Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Drehzahl
Das Verständnis der Prinzipien der Stromerzeugung und der entsprechenden Eigenschaften lässt sich für die optimale Auslegung von Drehzahlregelungs- und Bremssystemen nutzen.
Gegen-EMK (BACK EMF) und Drehmomentkennlinie
Während des Motorbetriebs entsteht durch das Durchqueren des Magnetfelds durch die Wicklungen eine Gegen-EMK, die der angelegten Spannung entgegenwirkt und den tatsächlich fließenden Strom verringert. Da die Stärke der Gegen-EMK genau proportional zur Drehzahl ist, entsteht bei höherer Drehzahl eine größere Gegen-EMK, wodurch der Strom begrenzt wird.
Aus diesem Grund weist er die Eigenschaft der Selbstregulierung auf, bei der er im Leerlauf mit hoher Drehzahl läuft und bei zunehmender Belastung die Drehzahl sinkt, während das Drehmoment zunimmt.
Konkret ist die Spannungsdifferenz, die sich aus der angelegten Spannung abzüglich der Gegen-EMK ergibt, die effektive Spannung, die den Motor tatsächlich antreibt.Wenn das Lastdrehmoment zunimmt, sinkt die Drehzahl, wodurch die Gegen-EMK abnimmt; infolgedessen fließt mehr Strom, um das erforderliche Drehmoment zu erzeugen. Da die Größe der Gegen-EMK proportional zur Drehzahl ist, wird dieses Prinzip auch bei der drehzahlsensorlosen Regelung angewendet.
Dank dieser Eigenschaft lässt sich der Betriebszustand des Motors auch ohne externe Sensoren erfassen, was zur Vereinfachung des Steuerungssystems und zur Kostensenkung beiträgt. Bei medizinischen Geräten und Industriewerkzeugen wird die Fähigkeit, Lastschwankungen unter Ausnutzung dieser Selbstanpassungseigenschaft auszugleichen, sehr geschätzt.
Die Funktionsweise der Kurzschlussbremse
Wird ein Kurzschluss an den Motoranschlüssen herbeigeführt, fungiert der sich aufgrund seiner Trägheit drehende Rotor als Generator (Dynamo), und es fließt Strom durch den Kurzschlusskreis. Durch die Wechselwirkung dieses Stroms mit dem Magnetfeld entsteht ein Bremsmoment, das die Drehbewegung hemmt.Da die Größe des Bremsmoments proportional zur Drehzahl ist, wird bei hohen Drehzahlen eine stärkere Bremskraft erzielt, während die Bremskraft allmählich nachlässt, je näher der Stillstand rückt.
| Punkt | Merkmale |
| Bremssystem | Elektrische Bremsung (ohne mechanische Reibung) |
| Reaktionsverhalten | Schnelles und stabiles Anhalten |
| Hauptanwendungsbereiche | Präzisionspositionierung, Not-Aus-Systeme |
| Langlebigkeit | Geringe Anzahl an direkt dem Verschleiß ausgesetzten Teilen, daher lange Lebensdauer |
Im Gegensatz zu mechanischen Bremsen entstehen hier weder Verschleiß der Bauteile noch Wärmeentwicklung durch Reibung, weshalb die Leistung auch bei wiederholten Bremsvorgängen kaum nachlässt. Da Kurzschlussbremsen ohne mechanische Reibung auskommen, gehören sie zu den elektrischen Bremssystemen, die sich besonders für Anwendungen eignen, bei denen eine präzise Positionierung oder ein Not-Aus erforderlich ist.
Es wird häufig in Anwendungsbereichen eingesetzt, in denen ein sanftes und präzises Anhalten erforderlich ist, wie beispielsweise bei der Steuerung von Endoskopen in der Medizintechnik oder bei der Steuerung von Kameralinsen. Zudem wird es bei der Steuerung von Industrieroboterarmen als Sicherheitsmechanismus genutzt, um unerwartete Bewegungen sofort zu stoppen.
Der Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Drehzahl
Die Drehzahl eines Bürstenmotors ist nahezu proportional zur angelegten Spannung, während das Drehmoment proportional zum Strom ist. Wenn beispielsweise an einen für 12 V ausgelegten Motor eine Spannung von 6 V angelegt wird, läuft er theoretisch mit etwa der Hälfte der Nenndrehzahl.Im Leerlauf ist der Strom aufgrund der Gegen-EMK minimal, sodass der Motor mit hoher Drehzahl läuft; steigt jedoch die Last, sinkt die Drehzahl und die Gegen-EMK nimmt ab, wodurch mehr Strom fließt und das Drehmoment zunimmt.
In der praktischen Steuerung lässt sich die Drehzahl durch die Anpassung des Effektivwerts der Spannung mittels PWM-Steuerung (Pulsweitenmodulation) frei regeln.Durch die Veränderung des Tastverhältnisses ändert sich die dem Motor zugeführte Durchschnittsspannung, wodurch eine gleichmäßige Drehzahlregelung erreicht wird. Das Verständnis dieser Eigenschaften ermöglicht die Auswahl des optimalen Motors entsprechend den Spezifikationen der Stromversorgung, der Auslegung der Treiberschaltung sowie den Lastbedingungen.
Bei Anwendungen mit starken Lastschwankungen, wie beispielsweise bei Industriewerkzeugen oder medizinischen Geräten, ist eine Konstruktion erforderlich, die diese Zusammenhänge zwischen Spannung, Stromstärke und Drehzahl berücksichtigt. Bei elektronischen Schlössern für Sicherheitsausrüstung wird die Eigenschaft geschätzt, dass sie auch bei niedriger Spannung zuverlässig starten, während bei optischen Geräten eine präzise Drehzahlregelung erforderlich ist.
Praktische Eigenschaften von Bürstenmotoren und Auswahlkriterien für industrielle Anwendungen
Bürstenmotoren werden aufgrund ihrer einfachen Bauweise und der einfachen Steuerung in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt. Da sie durch den direkten Anschluss an eine Gleichstromquelle betrieben werden können und die Steuerungsschaltung im Vergleich zu anderen Systemen in der Regel einfacher ausfällt, tragen sie zur Kostensenkung und zur Verkleinerung des Gesamtsystems bei.
Andererseits erfordern der mechanische Kontakt zwischen Bürsten und Kommutator regelmäßige Wartungsarbeiten sowie ein Lebensdauermanagement. Zudem sind die an den Kontaktstellen entstehenden Funken und Störgeräusche Faktoren, die bei Anwendungen in explosionsgeschützten Umgebungen oder solchen, die eine hochpräzise Steuerung erfordern, berücksichtigt werden müssen.
Inhalt dieses Abschnitts
- Vorteile: Einfacher Aufbau und gute Steuerbarkeit
- Nachteile: Bürstenverschleiß und Lebensdauermanagement
- Beispiele für industrielle Anwendungen und die Auswahl der optimalen Einsatzmöglichkeiten
Bitte wählen Sie den für den jeweiligen Einsatzzweck am besten geeigneten Motor aus, indem Sie das Verhältnis zwischen Kosten und Leistung, die Wartungsfreundlichkeit sowie die Umgebungsbedingungen umfassend bewerten.
Vorteil: Einfacher Aufbau
Der größte Vorteil von Bürstenmotoren liegt in ihrem einfachen Aufbau und darin, dass keine externe Steuerelektronik erforderlich ist. Im Gegensatz zu bürstenlosen Motoren und Schrittmotoren benötigen sie keine speziellen Treiber-ICs oder komplexen Steuerplatinen, wodurch sich die Anzahl der Bauteile im Gesamtsystem reduzieren lässt.
[Die wichtigsten Vorteile von Bürstenmotoren]
- Kann durch einfachen Anschluss an eine Gleichstromquelle betrieben werden
- Die Drehzahlregelung lässt sich leicht über Spannungsanpassung oder PWM-Steuerung bewerkstelligen
- Die Herstellungskosten sind vergleichsweise niedrig
- Eignet sich gut für die Produktion kleiner Stückzahlen
Sie lassen sich in einem breiten Spektrum von Entwicklungsphasen einsetzen – von der Prototypenphase bis zur Serienfertigung –, und gerade diese einfache Handhabung ist der Grund dafür, dass sie seit vielen Jahren in zahlreichen Industriezweigen geschätzt werden. Die einfache Integration von Bürstenmotoren stellt einen großen Vorteil bei der Funktionsprüfung in frühen Entwicklungsphasen sowie bei der kostengünstigen Produktkonstruktion dar.
Insbesondere bei der Entwicklung neuer Produkte ist es üblich, zunächst die Grundfunktionen mit einem Bürstenmotor zu überprüfen und erst danach gegebenenfalls den Wechsel zu anderen Motortypen in Betracht zu ziehen. Zudem lässt sich dadurch die Auslegung der Stromversorgungsschaltung vereinfachen, was bei batteriebetriebenen Mobilgeräten und Sicherheitsvorrichtungen unmittelbar zu einer Verkürzung der Entwicklungszeit und zu Kosteneinsparungen führt.
Nachteile: Bürstenverschleiß und Lebensdauermanagement
Durch den mechanischen Kontakt zwischen den Bürsten und dem Kommutator kommt es bei kontinuierlichem Betrieb zu Verschleiß. Da sich mit fortschreitendem Verschleiß die Motorleistung verschlechtert und es letztendlich zu Betriebsstörungen kommt, ist eine regelmäßige Wartung entsprechend der Betriebsdauer und der Betriebsumgebung erforderlich.
Da die an den Kontaktstellen entstehenden winzigen Funken eine Quelle für elektrisches Rauschen darstellen, sind in Anwendungen, die eine präzise Steuerung oder drahtlose Kommunikation erfordern, entsprechende Maßnahmen erforderlich. Da bei der Konstruktion die Lebensdauer und die Wartungsfreundlichkeit berücksichtigt werden müssen, ist in Anwendungen, die einen lang andauernden Dauerbetrieb erfordern, sowie in Umgebungen, in denen die Wartung schwierig ist, ein Vergleich mit anderen Motortypen erforderlich.
Beispiele für industrielle Anwendungen und die Auswahl der optimalen Einsatzmöglichkeiten
Bürstenmotoren haben sich in vielfältigen Bereichen bewährt, von medizinischen Geräten bis hin zu Industriewerkzeugen.
| Bereich | Wichtige Anwendungsbeispiele |
| Medizinische Geräte | Endoskope, Pumpen, chirurgische Instrumente |
| Industriewerkzeuge | Elektroschrauber, Nagler |
| Optische Geräte | Antrieb für Kameraobjektive, Fokussiermechanismus |
| Sicherheitsgeräte | Elektronische Schlösser, Smart Locks |
Es eignet sich insbesondere für kostengünstige Serienprodukte sowie für Anwendungen, die mit einer einfachen Steuerung auskommen.
Bei C.I. Takiron bieten wir Ihnen die Auswahl des für Ihre Anwendungszwecke und Anforderungen am besten geeigneten Motors sowie maßgeschneiderte Lösungen an. Da wir hochwertige Mikromotoren anbieten, die auf langjähriger Erfahrung basieren, können Sie sich gerne an uns wenden, falls Sie bei der Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen sollten.
Zusammenfassung
Der Bürstenmotor ist ein Motor mit einfacher Bauweise, der durch die mechanische Gleichrichtung mittels Bürsten und Kommutator mit Gleichstrom betrieben werden kann. Aufgrund seines auf Flemings linker Handregel basierenden Drehprinzips und seiner Selbstregelungseigenschaften durch Gegen-EMK findet er in einer Vielzahl von Industriebereichen Anwendung.
Während die einfache Bauweise und die einfache Steuerung große Vorteile darstellen, gibt es andererseits auch Nachteile wie eine durch den Verschleiß der Bürsten bedingte begrenzte Lebensdauer, Wartungsaufwand und Geräuschentwicklung. Eine umfassende Bewertung der Anwendungszwecke und Umgebungsbedingungen sowie die Auswahl des optimalen Motors sind entscheidend für den Erfolg der Produktentwicklung.
Produktinformationen und Kontakt
Ausführliche Informationen zu den Mikromotoren von C.I. Takiron finden Sie auf der folgenden Website.
- Produktseite: https://cik-ele.com/
- Kernlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Bürstenlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Getriebemotoren: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Sollten Sie bei der Auswahl von Kleinmotoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden Ihre Anwendungszwecke und Anforderungen mit Ihnen besprechen und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.
- Kontakt: https://cik-ele.com/contact/
