Funktionsweise bürstenloser DC-Motoren & ESCs – Technischer Überblick

In diesem Tutorial lernen wir, wie bürstenlose Motoren (BLDC) und ESCs funktionieren. Dieser Artikel ist Teil 1 des Videos: Arbeitsprinzip von BLDC-Motor und ESC (Electronic Speed Controller). Teil 2 behandelt die Arduino-Steuerung.

Video ansehen oder schriftliche Anleitung unten lesen.

Funktionsweise

Ein BLDC-Motor besteht aus zwei Hauptteilen: Stator und Rotor. Zur Veranschaulichung: Rotor = Permanentmagnet mit zwei Polen, Stator = Spulen wie im Bild angeordnet.

Strom durch Spule → Magnetfeld, Polrichtung hängt von Stromrichtung ab.

Passender Strom → Spulenfeld zieht Rotormagnet an. Nacheinander Spulen aktivieren → Rotor dreht sich durch Kraftwechsel zwischen Permanent- und Elektromagnet.

Effizienzsteigerung: Zwei gegenüberliegende Spulen als eine Spule wickeln → entgegengesetzte Pole zu Rotorpolen → doppelte Anziehungskraft.

Damit erzeugen drei Spulen (Phasen) sechs Statorpole. Weitere Steigerung: Zwei Phasen gleichzeitig aktivieren → eine zieht an, andere stößt ab.

Für 360° Rotor-Umdrehung werden sechs Schritte/Intervalle benötigt.

Stromkurven: In jedem Intervall eine Phase positiv, eine negativ, dritte aus. Idee: Freie Enden der drei Phasen zusammenführen → Strom teilen / einzelne Stromquelle für zwei Phasen gleichzeitig.

Beispiel: Phase A auf High (VCC über MOSFET), Phase B auf Ground → Strom fließt VCC → Phase A → Sternpunkt → Phase B → Ground. Ein einziger Stromfluss erzeugt vier Pole → Rotorbewegung.

Sternschaltung der Motorphasen: Sternpunkt intern verbunden, drei Phasenenden nach außen → drei Drähte am BLDC-Motor.

Für vollen Zyklus müssen in jedem der 6 Intervalle die richtigen zwei MOSFETs geschaltet werden – das ist die ESC-Aufgabe.

Wie funktioniert ein ESC (Electronic Speed Controller)?

Ein ESC steuert Bewegung/Geschwindigkeit des BLDC-Motors, indem er die passenden MOSFETs aktiviert, um das rotierende Magnetfeld zu erzeugen. Höhere Frequenz / schnellere Abfolge der 6 Intervalle → höhere Motordrehzahl.

Wichtige Frage: Wie weiß der ESC, wann welche Phase zu schalten ist? Antwort: Rotorposition bestimmen. Zwei gängige Methoden:

1. Hall-Effekt-Sensoren im Stator, gleichmäßig 120° oder 60° versetzt.

Rotierende Permanentmagnete → Hall-Sensoren detektieren Feld → Logik „High“ für einen Pol, „Low“ für anderen. ESC leitet nächste Kommutierung ein.

2. Rück-EMK (Back EMF) messen. Rück-EMK entsteht durch umgekehrten Prozess: Bewegen/änderndes Magnetfeld induziert Spannung in Spule.

Bewegtes Rotorfeld durchläuft inaktive Spule → induziert Strom → Spannungsabfall. ESC detektiert diese Abfälle und berechnet nächsten Kommutierungspunkt.

Prinzip gilt auch bei mehr Polpaaren (Rotor & Stator). Immer 3-Phasen-Motor, nur Intervallanzahl für vollen Zyklus steigt.

BLDC-Motoren können Inrunner (Magnete innen) oder Outrunner (Magnete außen) sein. Gleiches Prinzip, jeweils eigene Vor-/Nachteile.

Genug Theorie – Praxisdemo: Drei Phasen eines BLDC-Motors an Oszilloskop. 3 Widerstände als virtueller Sternpunkt, andere Enden an Motorphasen.

Drei Sinuswellen sichtbar: Rück-EMK in inaktiven Phasen.

Bei Drehzahländerung ändern sich Frequenz & Amplitude der Sinuswellen. Höhere RPM → höhere Frequenz & Amplitude. Die Peaks sind die aktiven Phasen, die das Magnetfeld erzeugen.

In jedem Intervall zwei aktive, eine inaktive Phase. Beispiel: A & B aktiv, C inaktiv → dann A & C aktiv, B inaktiv, usw.

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Das war das Grundprinzip. Für Praxisbeispiele & Arduino-Steuerung: Teil 2 des Tutorials.

Hoffentlich lehrreich. Fragen in den Kommentaren. Schauen Sie auch meine Arduino-Projektsammlung an.