In der Miniatur-Flüssigkeitssteuerungsindustrie sind bürstenlose Motoren die Hauptantriebsquelle für gängige Geräte, einschließlich Miniatur-Wasserpumpen und Miniatur-Vakuumpumpen. Kleine Magnetventile arbeiten mit Motoren zusammen, um eine automatische Durchflussregulierung zu erreichen. In letzter Zeit haben sich viele Gerätekäufer auf die BLDC-Leistung konzentriert. Aus diesem Grund veröffentlichen wir einen populärwissenschaftlichen Serienartikel, um das Kernwissen über diesen hocheffizienten Motor zu erläutern.
Verständnis der Prinzipien und Anwendungen von Hochleistungsmotoren: Elektromotoren wandeln zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie um. Verschiedene Arten von Elektromotoren sind weit verbreitet. Unter ihnen sind bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC), die einen hohen Wirkungsgrad und eine hervorragende Steuerbarkeit aufweisen und in vielen Anwendungen weit verbreitet sind. Im Vergleich zu anderen Motortypen bieten BLDC-Motoren energiesparende Vorteile.
Elektromotoren sind elektrische Übertragungsmaschinen.
Wenn Ingenieure vor der Herausforderung stehen, elektrische Geräte für die Ausführung mechanischer Aufgaben zu konstruieren, müssen sie möglicherweise überlegen, wie elektrische Signale in Energie umgewandelt werden. Daher gehören Aktoren und Motoren zu den Geräten, die elektrische Signale in Bewegung umwandeln. Motoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um.
Der einfachste Elektromotor ist der bürstenlose Gleichstrommotor. Bei diesem Motortyp fließt Strom durch Spulen, die in einem festen Magnetfeld angeordnet sind. Strom erzeugt in den Spulen ein Magnetfeld; Dadurch dreht sich die Spulenanordnung, da jede Spule von ihrem eigenen Pol weggedrückt und in Richtung eines Pols des festen Magnetfelds gezogen wird. Um die Rotation aufrechtzuerhalten, muss der Strom ständig umgekehrt werden, was dazu führt, dass sich die Spulenpolarität kontinuierlich umkehrt, was dazu führt, dass die Spulen weiterhin dem Pol des entgegengesetzten Magnetfelds „jagen“. Die Stromversorgung der Spulen erfolgt über feststehende leitfähige Bürsten, die den rotierenden Kommutator kontaktieren. Durch die Drehung des Kommutators fließt der Strom in entgegengesetzter Richtung durch die Spulen. Der Kommutator und die Bürsten sind die Schlüsselkomponenten, die bürstenbehaftete Gleichstrommotoren von anderen Motoren unterscheiden.
Abbildung 1 zeigt das allgemeine Prinzip eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors.
Abbildung 1 zeigt das allgemeine Prinzip eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors.
Abbildung 1: Betrieb eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors.
Die feststehenden Bürsten versorgen den rotierenden Kommutator mit elektrischer Energie. Während sich der Kommutator dreht, kehrt er kontinuierlich die Richtung des zu den Spulen fließenden Stroms um, wodurch die Polarität der Spulen umgekehrt wird und sie weiterhin rechtsdrehend bleiben. Der Kommutator dreht sich, weil er mit einem Rotor verbunden ist, auf dem die Spulen montiert sind.
Gängige Motortypen
Motoren unterscheiden sich in ihrer Leistungsart (Wechselstrom oder Gleichstrom) und der Art der Rotationserzeugung (Abbildung 2). Im Folgenden stellen wir kurz die Eigenschaften und Anwendungen jedes Typs vor.
Abbildung 2: Verschiedene Motortypen
Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind einfach im Design, leicht zu steuern und werden häufig zum Öffnen und Schließen von Plattenfächern verwendet. In Automobilen werden sie häufig zum Ein-, Ausfahren und Positionieren elektrischer Seitenfenster verwendet. Aufgrund der geringen Kosten sind diese Motoren für viele Anwendungen geeignet. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass die Bürsten und der Kommutator aufgrund des ständigen Kontakts relativ schnell verschleißen und daher häufig ausgetauscht und regelmäßig gewartet werden müssen.
Schrittmotoren werden durch Impulse angetrieben; Für jeden empfangenen Impuls dreht es sich um einen bestimmten Winkel (Schritte). Da der Rotationsprozess vollständig durch die Anzahl der empfangenen Impulse gesteuert wird, werden diese Motoren häufig zur Positionsverstellung eingesetzt. Sie werden häufig zur Steuerung des Papiervorschubprozesses in Faxgeräten und Druckern verwendet, da diese Geräte das Papier in festen Schritten zuführen und diese Schritte leicht mit der Impulszahl korreliert werden können. Auch eine Pausensteuerung ist einfach zu realisieren, da die Motordrehung sofort stoppt, wenn das Impulssignal unterbrochen wird.
Bei Verwendung von Synchronmotoren wird die Drehung mit der Frequenz des Versorgungsstroms synchronisiert. Diese Motoren werden üblicherweise zum Antrieb der rotierenden Tabletts in Mikrowellenherden verwendet. Die Untersetzungsgetriebe in der Motoreinheit sorgen für die entsprechende Drehzahl zum Erhitzen von Speisen. Bei Induktionsmotoren variiert die Drehzahl mit der Frequenz, die Bewegungen sind jedoch asynchron. Früher wurden diese Motoren häufig in elektrischen Ventilatoren und Waschmaschinen eingesetzt.
Es gibt verschiedene Arten von Motoren, die üblicherweise verwendet werden. In diesem Abschnitt betrachten wir die Vorteile und Anwendungen bürstenloser Gleichstrommotoren.
Warum drehen BLDC-Motoren?
Wie der Name schon sagt, kommen bei bürstenlosen Gleichstrommotoren keine Bürsten zum Einsatz. Bei Bürstenmotoren übertragen Bürsten den Strom über einen Kommutator auf die Spulen am Rotor. Wie überträgt ein bürstenloser Motor Strom auf die Rotorspulen? Keine – da sich die Spulen nicht auf dem Rotor befinden. Der Rotor ist ein Permanentmagnet; Die Spulen drehen sich nicht, sondern sind am Stator befestigt. Da sich die Spulen nicht bewegen, sind weder Bürsten noch ein Kommutator erforderlich. (Siehe Abbildung 3) Bei Bürstenmotoren wird die Rotation durch die Steuerung des von den Spulen am Rotor erzeugten Magnetfelds erreicht, während das vom stationären Magneten erzeugte Magnetfeld konstant bleibt. Um die Drehzahl zu ändern, muss die Spannung an den Spulen geändert werden. Bei einem BLDC-Motor dreht sich der Permanentmagnet; Die Rotation wird durch eine Richtungsänderung des elektromagnetischen Feldes erreicht, das von den umgebenden stationären Spulen erzeugt wird. Um die Drehung zu steuern, müssen Stärke und Richtung des in diese Spulen fließenden Stroms angepasst werden.
Abbildung 3: BLDC-Motor.
Da der Rotor ein Permanentmagnet ist, benötigt er keinen Strom, sodass keine Bürsten und Kommutatoren erforderlich sind. Der Strom zu den stationären Spulen wird extern gesteuert.
Vorteile von BLDC-Motoren
Ein BLDC-Motor mit drei Spulen am Stator verfügt über sechs Drähte (zwei für jede Spule), die von diesen Spulen ausgehen. In den meisten Implementierungen sind drei dieser Drähte intern verbunden, während die restlichen drei aus dem Motorgehäuse herausragen (im Gegensatz zu den beiden Drähten des zuvor beschriebenen Bürstenmotors). Die Verkabelung innerhalb des Gehäuses eines BLDC-Motors ist komplexer als nur die Verbindung der positiven und negativen Anschlüsse eines Netzteils; Wir werden die Funktionsweise dieser Motoren in Teil II dieser Serie genauer untersuchen. Im Folgenden werden wir abschließend die Vorteile von BLDC-Motoren verstehen.
Ein wesentlicher Vorteil ist der Wirkungsgrad, da diese Motoren kontinuierlich mit maximalem Drehmoment arbeiten können. Im Gegensatz dazu können Bürstenmotoren ihr maximales Drehmoment nur an bestimmten Drehpunkten erreichen. Um das gleiche Drehmoment wie ein bürstenloser Motor bereitzustellen, benötigen Bürstenmotoren größere Magnete. Deshalb können auch kleine BLDC-Motoren eine beachtliche Leistung liefern.
Der zweite große Vorteil gegenüber dem ersten ist die Kontrollierbarkeit. BLDC-Motoren können über Feedback-Mechanismen gesteuert werden und liefern präzise das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Geschwindigkeit. Eine präzise Steuerung wiederum reduziert den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung und verlängert – bei batteriebetriebenem Motor – die Batterielebensdauer.
Da keine Bürsten vorhanden sind, bieten BLDC-Motoren außerdem eine hohe Haltbarkeit und eine geringe elektrische Geräuschentwicklung. Bei Bürstenmotoren verschleißen die Bürsten und der Kommutator durch den ständigen beweglichen Kontakt, wodurch an den Kontaktpunkten Funken entstehen. Insbesondere elektrisches Rauschen entsteht durch die starken Funken, die leicht entstehen, wenn die Bürsten den Kommutatorspalt passieren. Aus diesem Grund gelten BLDC-Motoren im Allgemeinen als die bessere Wahl für Anwendungen, bei denen elektrische Störungen vermieden werden müssen.
Ideale Anwendungen von BLDC-Motoren
Wir haben gesehen, dass BLDC-Motoren eine hohe Effizienz und Steuerbarkeit bieten und eine lange Lebensdauer haben. Was sind also ihre Verwendungszwecke? Aufgrund ihrer Effizienz und Lebensdauer werden sie häufig in Geräten im Dauerbetrieb eingesetzt. Sie werden seit langem in Waschmaschinen, Klimaanlagen und anderer Unterhaltungselektronik eingesetzt; Neuerdings kommen sie auch in Ventilatoren zum Einsatz, wo ihr hoher Wirkungsgrad den Stromverbrauch deutlich senkt.
Sie werden auch zum Antrieb von Vakuummaschinen eingesetzt. In einem Fall führte eine Änderung des Steuerprogramms zu einem dramatischen Geschwindigkeitssprung – ein Beispiel für die hohe Steuerbarkeit dieser Motoren.
BLDC-Motoren werden auch zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt; Ihre Langlebigkeit ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb der Antriebe über längere Zeiträume, während ihre Energieeffizienz dazu beiträgt, den Energieverbrauch in einem immer wichtiger werdenden Sektor zu senken.
Auf dem Weg zu breiteren zukünftigen Anwendungen
Wir können davon ausgehen, dass BLDC-Motoren in Zukunft in einem breiteren Anwendungsspektrum weit verbreitet sein werden. Beispielsweise könnten sie häufig zum Antrieb von Servicerobotern eingesetzt werden – kleinen Robotern, die Dienstleistungen in Sektoren außerhalb der Fertigung erbringen. Man könnte meinen, dass Schrittmotoren für diese Art von Anwendung besser geeignet sind, da Impulse zur präzisen Positionssteuerung genutzt werden können. Allerdings eignen sich BLDC-Motoren besser zur Kraftsteuerung. Bei der Verwendung von Schrittmotoren ist zur Aufrechterhaltung der Position von Strukturen wie Roboterarmen ein relativ großer und kontinuierlicher Strom erforderlich. Bei BLDC-Motoren ist der benötigte Strom proportional zur äußeren Kraft, was zu einer energieeffizienteren Steuerung führt. BLDC-Motoren können auch einfache bürstenbehaftete Gleichstrommotoren in Golfwagen und Mobilfahrzeugen ersetzen. Neben einem höheren Wirkungsgrad bieten BLDC-Motoren eine präzisere Steuerung – was wiederum die Batterielebensdauer weiter verlängern kann.
BLDC-Motoren eignen sich auch hervorragend für Drohnen. Aufgrund ihrer Fähigkeit zur präzisen Steuerung eignen sie sich besonders für Drohnen mit mehreren Rotoren, da sie eine präzise Steuerung der Fluglage der Drohne durch Steuerung der Drehzahl jedes Rotors ermöglichen.
