Was ist ein BLDC-Motor und seine Vorteile?

1.Konzept bürstenloser Gleichstrommotoren

Ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC), auch bürstenloser Motor oder synchroner Gleichstrommotor genannt, ist ein Motortyp, der für den Betrieb keine Bürsten oder Kommutatoren benötigt. Der Eingang eines BLDC-Motors ist Gleichstrom (DC), im Wesentlichen simuliert er jedoch Wechselstrom (AC), indem er die Hauptschalter des Wechselrichters zyklisch schaltet. Dadurch entsteht in den Spulenwicklungen ein sich änderndes Magnetfeld, wodurch der Motorrotor ein kontinuierliches Drehmoment und damit eine kontinuierliche Rotation erfährt. BLDC-Motoren können je nach Anzahl der Statorwicklungen einphasig, zweiphasig oder dreiphasig konfiguriert werden. Die am häufigsten vorkommenden BLDC-Motoren sind Drehstrommotoren. Das folgende Diagramm veranschaulicht die Demontage eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors.

2.Anwendung von bürstenlosen Gleichstrommotoren

Es wird geschätzt, dass die Marktgröße von BLDC-Motoren bis 2022 etwa 19,76 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Da die BLDC-Motortechnologie immer ausgereifter wird, haben BLDC-Motoren umfangreiche Anwendungen in verschiedenen Bereichen gefunden, darunter Militär, Luft- und Raumfahrt, Industrie, Automobil, zivile Steuerungssysteme und Haushaltsgeräte. Sie werden häufig in Geräten mit niedriger Spannung und geringem Stromverbrauch wie kleinen Robotern, Drohnen, Elektrofahrrädern, Staubsaugern und Elektrowerkzeugen verwendet.

Nachfolgend sind einige beliebte Anwendungen aufgeführt:

Staubsauger/Haartrockner: Wenn es um Haartrockner oder Staubsauger geht, ist Dyson die bekannte Marke. Der Dyson-Haartrockner, der als „schwarze Technologie der nächsten Generation“ beworben wird, verfügt über den intelligenten Digitalmotor V9, der kleiner, leichter und schneller als herkömmliche Motoren ist. Ohne den Einsatz von Kohlebürsten kann der Motor eine Drehzahl von bis zu 110.000 Umdrehungen pro Minute erreichen und ist kleiner und leichter als andere Motoren. Der im digitalen Motor von Dyson verwendete Motor ist ein „einphasiger bürstenloser Gleichstrommotor“, im Wesentlichen eine Art BLDC-Motor.

Drohnen/Gimbals:

Der Schlüssel zur Motorsteuerung bei Drohnen ist die Geschwindigkeits- und Richtungssteuerung. Die beliebtesten Drohnen sind zweifellos die von DJI. Das Diagramm unten zeigt die Demontage der Spark-Drohne, wobei an jeder Ecke vier BLDC-Motoren sichtbar sind.

Ähnliche Anwendungen umfassen Kardanringe.

Elektrowerkzeuge: Zu den gängigen handgeführten Elektrowerkzeugen im täglichen Leben gehören elektrische Schraubenschlüssel, Bohrmaschinen und andere von Bosch. Die Energieeinsparung und der hohe Wirkungsgrad bürstenloser Gleichstrommotoren sowie die kontinuierliche Senkung der Kosten für handgeführte Elektrowerkzeuge haben zu einer rasanten Entwicklung beim Einsatz von BLDC-Motoren in Elektrowerkzeugen geführt. Die namhaftesten internationalen Hersteller wie Bosch, Dewalt, Milwaukee und andere führen diesen Trend an.

3.Bürstenlose Gleichstrommotorkonstruktion

Stator: Der Stator eines BLDC-Motors besteht aus laminierten Stahlblechen, wobei die Wicklungen in Schlitzen entlang der inneren Umfangsachse angeordnet sind. Der Stator ähnelt dem eines Induktionsmotors, weist jedoch eine andere Wicklungsverteilung auf. Die meisten BLDC-Motoren verfügen über drei sternförmig geschaltete Statorwicklungen, die jeweils aus mehreren miteinander verbundenen Spulen bestehen. In die Nuten werden Spulen eingelegt und zu Wicklungen verschaltet. Diese Wicklungen sind über den Umfang des Stators verteilt, um gleichmäßig verteilte Magnetpole zu erzeugen.

Rotor: BLDC-Motoren verwenden Permanentmagnete als Rotor, ohne Spulen im Inneren. Die magnetischen Süd- und Nordpole des Rotors sind abwechselnd angeordnet. Darüber hinaus werden mit der Weiterentwicklung der weichmagnetischen Materialtechnologie und dem Preisverfall zunehmend leistungsstarke Neodym-Eisen-Bor-Seltenerdmaterialien zur Herstellung von Permanentmagnetrotoren verwendet. Ihr hohes magnetisches Energieprodukt und ihre stabilen Eigenschaften ermöglichen BLDC-Motoren bessere mechanische Eigenschaften und dynamisches Ansprechverhalten sowie einen höheren Wirkungsgrad und Drehzahlbereich. Hier ist ein schematisches Diagramm des Rotormagnetquerschnitts aus einem Grundsatzdokument zu BLDC von Microchip:

Hall-Sensoren: Der wichtigste Aspekt der BLDC-Motorsteuerung ist die Identifizierung der Rotorposition. Es gibt zwei Methoden zur Positionserkennung: Zum einen werden Positionssensoren verwendet, um die Position des Rotors zu ermitteln, sogenannte Hall-Sensoren; Die andere Methode ist sensorlos und beinhaltet die Identifizierung der Rotorposition durch Erkennung der elektromotorischen Gegenkraft. Bei BLDC-Motoren mit Sensoren sind bei den meisten BLDC-Motoren drei Hall-Sensoren im Stator integriert. Bei jeder Kommutierung ist eine Wicklung mit dem Pluspol der Steuerstromversorgung verbunden (Strom fließt in die Wicklung ein), die zweite Wicklung ist mit dem Minuspol verbunden (Strom fließt aus ihr heraus) und die dritte Wicklung befindet sich im ausgeschalteten Zustand. Das Drehmoment entsteht durch die Wechselwirkung zwischen dem von den Statorspulen erzeugten Magnetfeld und dem Permanentmagneten. Wenn der Rotormagnetpol in der Nähe des Hall-Sensors vorbeiläuft, gibt der Sensor ein Signal mit hohem oder niedrigem Pegel aus, das anzeigt, dass der Süd-/Nordmagnetpol durch den vom Hall-Sensor erfassten Bereich verläuft. Die Phasenverschiebung zwischen den von den Hall-Sensoren ausgegebenen Signalen kann entweder 60° oder 120° betragen.