Ein BLDC-Motor ( bürstenloser Gleichstrommotor ) ist ein Motor, bei dem im Gegensatz zu herkömmlichen bürstenbehafteten Gleichstrommotoren die Bürsten und der Kommutator entfernt wurden und dessen Drehbewegung durch elektronische Steuerung realisiert wird.Aufgrund ihrer Eigenschaften wie langer Lebensdauer, geringer Geräuschentwicklung und hoher Energieeffizienz finden sie zunehmend in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung, darunter Haushaltsgeräte, Industrieanlagen und Automobilkomponenten. Allerdings gibt es bei der Einführung einige zu beachtende Punkte, wie beispielsweise die Notwendigkeit einer speziellen Steuerungsschaltung für den Antrieb.
In diesem Artikel werden der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise von BLDC-Motoren, die Unterschiede zu bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, die Vorteile und zu beachtenden Punkte sowie typische Anwendungsbereiche erläutert. Die hier dargestellten Informationen dienen als nützliche Orientierungshilfe bei der Auswahl eines Motors.
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Grundlegender Aufbau und Funktionsweise eines BLDC-Motors
Um die Eigenschaften eines BLDC-Motors zu verstehen, ist es zunächst erforderlich, sich mit den Grundlagen seines Aufbaus und seiner Funktionsweise vertraut zu machen.
Inhalt dieses Abschnitts
- Definition und Bestandteile eines BLDC-Motors
- Wie ein BLDC-Motor funktioniert
- Der Unterschied zwischen Innenrotor- und Außenrotortypen
Im Folgenden werden nacheinander die einzelnen Komponenten eines BLDC-Motors, der Funktionsablauf sowie die Klassifizierung nach Bauart erläutert.
Definition und Bestandteile eines BLDC-Motors
„BLDC“ bei BLDC-Motoren ist die Abkürzung für „Brushless Direct Current“ und bezeichnet einen bürstenlosen Gleichstrommotor.BLDC-Motoren lassen sich grob in zwei Typen unterteilen: den Innenrotor- und den Außenrotortyp. Bei Mikromotoren ist der Innenrotortyp vorherrschend, bei dem Permanentmagnete im Rotor und Spulen im Stator angeordnet sind.
Das strukturelle Merkmal eines BLDC-Motors besteht darin, dass die Anordnung von Stator und Rotor im Vergleich zu einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor umgekehrt ist.Da sich im Rotor Permanentmagnete und im Stator Spulen befinden, muss kein Strom durch den Rotor fließen, sodass keine Bürsten und kein Kommutator erforderlich sind. Stattdessen wird der Motor durch eine externe elektronische Steuerschaltung angetrieben, die die Stromzufuhr zu den Spulen schaltet.
Wie ein BLDC-Motor funktioniert
Die Funktionsweise eines BLDC-Motors beruht auf der Steuerung der Stromzufuhr zu den drei im Stator angeordneten Spulen (U-Phase, V-Phase, W-Phase). Die Wechselrichterschaltung schaltet die Richtung und den Zeitpunkt des in die Spulen fließenden Stroms um und erzeugt so ein rotierendes Magnetfeld. Die Permanentmagnete des Rotors werden von diesem rotierenden Magnetfeld angezogen und beginnen sich zu drehen.Für die Umschaltung des Stroms ist eine Rechenverarbeitung, beispielsweise durch einen Mikrocontroller, erforderlich; dabei wird die Stromzufuhr zum optimalen Zeitpunkt gesteuert, während die Position des Rotors beispielsweise durch Hall-Sensoren erfasst wird. Ein charakteristisches Merkmal des Antriebs eines BLDC-Motors ist, dass er sich nicht dreht, wenn er lediglich direkt an die Stromversorgung angeschlossen wird, wie dies bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren der Fall ist.
Der Unterschied zwischen Innenrotor- und Außenrotor-Typen
BLDC-Motoren werden anhand der Anordnung von Rotor und Stator in zwei Typen unterteilt: den Innenrotor- und den Außenrotortyp. Die wichtigsten Unterschiede sind wie folgt:
| Punkt | Innenrotor-Typ | Außenrotor-Typ |
| Position des Rotors | Innenseite | Außen |
| Größenmerkmale | Geeignet für die Miniaturisierung | Hohe Gestaltungsfreiheit beim Magnetdesign |
| Trägheitsmoment | klein | groß |
| Steuerbarkeit | hoch | relativ gering |
| Typische Anwendungsbereiche | Präzisionsgeräte und Industriegeräte | Lüfter und Festplattenantriebe |
Da sich beim Innenrotor-Typ der Rotor im Inneren befindet, eignet er sich für kompakte Bauweisen; aufgrund des geringen Trägheitsmoments ist zudem eine Steuerung mit hoher Ansprechgeschwindigkeit möglich.Demgegenüber befindet sich beim Außenrotormotor der Rotor außen, was eine größere Freiheit bei der Größe und Anordnung der Magnete bietet; er eignet sich daher für Anwendungen, bei denen eine konstante Drehzahl erforderlich ist, wie beispielsweise bei Lüftern. Die Auswahl der geeigneten Bauweise entsprechend dem jeweiligen Anwendungszweck ist die Grundlage für die optimale Leistungsentfaltung des Motors.
Unterschiede zu bürstenbehafteten Gleichstrommotoren und zu beachtende Punkte
Im Vergleich zu bürstenbehafteten Gleichstrommotoren weisen BLDC-Motoren zahlreiche technische Vorteile hinsichtlich Lebensdauer, Wirkungsgrad und Geräuschentwicklung auf.
Inhalt dieses Abschnitts
- Es tritt kein Bürstenverschleiß auf, was zu einer langen Lebensdauer führt
- zeichnet sich durch einen hervorragenden Energieumwandlungswirkungsgrad aus
- Es ist eine Ansteuerschaltung erforderlich, was zu Kostenunterschieden führt
Wir werden nicht nur die Vorteile, sondern auch die Notwendigkeit von Steuerkreisen sowie die zu beachtenden Aspekte hinsichtlich der Kosten näher betrachten.
Es entsteht kein Bürstenverschleiß, was zu einer langen Lebensdauer führt
Da BLDC-Motoren keine Kontaktstellen zwischen Bürsten und Kommutator aufweisen, sind sie weniger anfällig für Verschleiß und zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer aus. Ein Vergleich der ungefähren Lebensdauer sieht wie folgt aus:
| Punkt | Gleichstrommotor mit Bürsten | BLDC-Motor |
| Richtwerte zur Lebensdauer | mehrere hundert bis mehrere tausend Stunden | Zehntausende bis Hunderttausende Stunden |
| Verschleiß der Bürsten | vorhanden (Austausch erforderlich) | keine |
| Entstehung von Funken | Ja | Nein |
| Elektrische Störungen | stark | gering |
Bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren entstehen durch den Kontakt zwischen Bürsten und Kommutator Funken, die elektrische Störungen bei den umgebenden elektronischen Bauteilen verursachen. Da bei BLDC-Motoren nur wenige mechanische Kontakte vorhanden sind, werden Funkenbildung und Störungen unterdrückt, sodass sie sich auch für den Einsatz in Verbindung mit empfindlichen Präzisionsgeräten eignen, die anfällig für Störungen sind.
zeichnet sich durch einen hervorragenden Energieumwandlungswirkungsgrad aus
Der Grund für den hohen Wirkungsgrad von BLDC-Motoren liegt in ihrer Konstruktion, bei der keine Energieverluste durch den Kontaktwiderstand der Bürsten entstehen. Bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren entsteht an den Kontaktstellen zwischen Bürsten und Kommutator ein elektrischer Widerstand, und der Spannungsabfall an diesen Kontaktstellen ist eine Ursache für Energieverluste. Da BLDC-Motoren keine Bürsten besitzen, können sie die zugeführte elektrische Leistung effizienter in Rotationsenergie umwandeln.
Es ist eine Ansteuerschaltung erforderlich, was zu Kostenunterschieden führt
Da jedoch kein Austausch aufgrund von Bürstenverschleiß erforderlich ist und die Lebensdauer hoch ist, ergibt sich bei Anwendungen im Dauerbetrieb nicht selten ein Kostenvorteil bei den Gesamtkosten einschließlich der Wartungskosten. Bei der Einführung ist es daher erforderlich, sowohl die Anschaffungskosten als auch die Betriebskosten zu berücksichtigen.
Die wichtigsten Anwendungsbereiche von BLDC-Motoren und Kriterien für deren Auswahl
BLDC-Motoren werden aufgrund ihrer langen Lebensdauer, ihrer Geräuscharmut und ihrer hohen Energieeffizienz in einem breiten Spektrum von Anwendungsbereichen eingesetzt, das von Haushaltsgeräten bis hin zu Industrieanlagen reicht.
Inhalt dieses Abschnitts
- Typische Anwendungsbeispiele für BLDC-Motoren
- Hintergründe für den fortschreitenden Ersatz von Produkten mit Pinsel
- Vorgehensweise bei der Auswahl eines für den jeweiligen Einsatzzweck geeigneten Motors
Vor dem Hintergrund des steigenden Bedarfs an Energieeinsparungen und höherer Zuverlässigkeit schreitet in den letzten Jahren auch die Ablösung von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren zusehends voran. Wir werden uns Anwendungsbeispiele sowie die Grundsätze der Auswahl ansehen.
Typische Anwendungsbeispiele für BLDC-Motoren
Beispiele für den Einsatz von BLDC-Motoren finden sich in den Bereichen Haushaltsgeräte, Industrie, Medizin und Automobilbau. Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen die folgenden:
| Bereich | Wichtige Anwendungsbeispiele |
| Haushaltsgeräte | Lüfterantriebe für Klimaanlagen und Kühlschränke, Direktantriebe für Waschmaschinen, Ventilatoren, Staubsauger |
| Industrieausrüstung | Antriebsmotoren für Roboter wie AGVs, Logistikgeräte, Winden |
| Medizinische Geräte | Blutpumpen, Beatmungsgeräte, ECMO |
| Kraftfahrzeuge | Ständig in Bewegung befindliche Bauteile wie Servolenkung und aktive Stabilisatoren |
| Sonstiges | Drohnenpropeller, Gimbal-Steuerung, Elektrowerkzeuge |
Im Bereich der Haushaltsgeräte gibt es zunehmend Modelle, bei denen BLDC-Motoren in Ventilatoren zum Einsatz kommen, wodurch sowohl ein leiser Betrieb als auch Energieeffizienz gewährleistet werden. Im industriellen und medizinischen Bereich finden diese Motoren zunehmend Anwendung in Geräten, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, wie beispielsweise Blutpumpen und Beatmungsgeräte.
Hintergründe für die fortschreitende Ablösung von Produkten mit Bürsten
Hintergrund für die zunehmende Umstellung auf BLDC-Motoren ist der steigende Bedarf an Energieeinsparungen und einer höheren Zuverlässigkeit der Geräte. Bei gebürsteten Gleichstrommotoren waren aufgrund des Verschleißes von Bürsten und Kommutator Wartungsarbeiten und der Austausch von Bauteilen erforderlich; BLDC-Motoren beseitigen hingegen das Problem des Bürstenverschleißes und bieten insbesondere bei Anwendungen mit Dauerbetrieb erhebliche Vorteile.
Darüber hinaus sind neben der langen Lebensdauer und dem geringen Wartungsaufwand auch die verschärften Energieeinsparungsvorschriften sowie die steigende Nachfrage nach Produkten mit langer Betriebsdauer Faktoren, die den Umstieg auf BLDC-Motoren vorantreiben. Es wird erwartet, dass sich der Anwendungsbereich von BLDC-Motoren künftig weiter ausweiten wird, angefangen bei medizinischen Geräten und Automobilkomponenten, bei denen hohe Stabilität gefordert ist.
Vorgehensweise bei der Auswahl eines für den jeweiligen Einsatzzweck geeigneten Motors
Bei der Prüfung des Einsatzes eines BLDC-Motors ist es grundsätzlich üblich, zunächst die Anforderungen an das eigene Produkt zu klären und anschließend die Spezifikationen des Motors auszuwählen. Die wichtigsten Punkte, die bei der Auswahl zu beachten sind, sind die folgenden:
[Punkte, die bei der Motorauswahl zu berücksichtigen sind]
- Erforderliches Drehmoment und Drehzahl
- Maßvorgaben wie Außendurchmesser und Länge des Motors
- Steuerungsart (Vorhandensein von Sensoren / Regelgenauigkeit)
- Betriebsbedingungen (Temperatur, Vibration, Dauerbetriebszeit)
Je nach Anwendungszweck sind unter Umständen nicht BLDC-Motoren, sondern andere Gleichstrommotoren, wie beispielsweise kernlose Motoren, besser geeignet. So können beispielsweise bei Anwendungen mit geringer Betriebsfrequenz, bei denen Kosteneinsparungen angestrebt werden, auch bürstenbehaftete Gleichstrommotoren geeignet sein, sodass BLDC-Motoren nicht unbedingt die optimale Lösung darstellen.
Bei C.I. Takiron beschäftigen wir uns mit der Konstruktion und Entwicklung von kleinen Gleichstrommotoren, darunter kernlose Motoren, bürstenlose Motoren, Getriebemotoren und Encoder, und bieten Ihnen den für Ihre Anwendung und Anforderungen am besten geeigneten Motor an. Für eine Beratung zur Motorauswahl stehen wir Ihnen über unser Kontaktformular gerne zur Verfügung.
Zusammenfassung
BLDC-Motoren sind Motoren, bei denen Bürsten und Kommutatoren entfallen und die Drehbewegung durch elektronische Steuerung realisiert wird. Da sie keinen Bürstenverschleiß aufweisen, eine lange Lebensdauer besitzen, sich durch einen hervorragenden Energieumwandlungswirkungsgrad auszeichnen und nur geringe elektrische Störgeräusche erzeugen, finden sie zunehmend in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung, von Haushaltsgeräten über Industrieanlagen und medizinische Geräte bis hin zu Automobilkomponenten.
Andererseits sind für den Antrieb Steuerkreise wie Wechselrichter und Mikrocontroller erforderlich, wodurch die anfänglichen Systemkosten im Vergleich zu gebürsteten Gleichstrommotoren höher ausfallen – ein Aspekt, der bei der Einführung berücksichtigt werden sollte.Bei der Auswahl eines Motors ist es erforderlich, die Anforderungen hinsichtlich des benötigten Drehmoments, der Drehzahl, der Baugröße und der Einsatzumgebung zu klären und nicht nur BLDC-Motoren, sondern auch andere Optionen wie beispielsweise kernlose Motoren in den Vergleich einzubeziehen.
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/
