BLDC-Motoren verstehen: Ein professioneller Leitfaden

Was ist ein BLDC-Motor?

BLDC-Motor, das Akronym für bürstenloser Gleichstrom-Elektromotor, ist ein Synchronmotor, der durch Gleichströme über Schaltnetzteil oder Inverter gespeist wird, die die Leistung von Gleich- in Wechselstromform umwandeln, um jede Stufe in einem geschlossenen Regelkreis anzutreiben. Der Motor ist auch als BL-Motor, elektronisch kommutierter Motor, EC-Motor und Synchron-Gleichstrommotor bekannt. Sowohl Inverter als auch Schaltnetzteil sind Leistungselektronik-Bauteile, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln können.

BLDC-Motoren liefern Impulse – kurze Ausbrüche von Gleichspannung mit abruptem Anstieg und Abfall – an die Motorwicklungen, die Drehzahl und Drehmoment regeln. Bürstenlose Gleichstrommotoren ersetzten das Design von Bürsten (Kommutatoren), die in konventionellen Elektromotoren genutzt wurden.

Vorteile bürstenloser Gleichstrommotoren gegenüber konventionellen bürstenbehafteten Motoren: Hochgeschwindigkeitsbetrieb, ideale elektronische Steuerung, geringe Wartung und lange Lebensdauer, hohes Leistungs-Gewichts-Verhältnis. BLDC-Motoren finden breite Anwendung: Computerperipherie wie Laufwerke, diverse Elektrowerkzeuge, Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie. Nicht zuletzt haben BLDC-Motoren die Direktantriebsanordnung, die Gummiriemen und Getriebe in heutigen Waschmaschinen ersetzt.

Wie funktioniert ein BLDC-Motor?

Die vitalen Elemente eines BLDC-Motors sind die Permanentmagnete und der rotierende Anker im Inneren. Die Permanentmagnete außen an der Motorkonstruktion sind stationär und werden "Statoren" genannt. Der Anker ist auch als "Rotor" bekannt, dreht sich und enthält einen Elektromagneten. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren drehen sich die Permanentmagnete um den festen Rotor – das löst Probleme bezüglich Stromanschluss und bewegtem Rotor. BLDC-Motoren sind im Zyklus "inside-out" gewendet, was keine Bürsten zur Änderung des elektromagnetischen Feldes erfordert. Der Computercontroller lädt die Elektromagnete im Stator und dreht den Anker volle 360 Grad.

Verglichen mit Struktur und Funktionsprinzip bürstenloser Gleichstrommotoren: Im bürstenbehafteten Gleichstrommotor dreht sich der Anker 180 Grad, während Strom an den Rotor übertragen wird. Um 360 Grad Rotation zu ermöglichen, müssen die Magnetpole umschlagen – die Bürsten kontaktieren den Stator bei Ankerrotation und verändern das Magnetfeld weiter. Die elektronische Steuereinheit eliminiert Bürsten oder Kommutatorbaugruppe im bürstenbehafteten DC-Motor und ermöglicht dem BLDC-Motor, die Phase konsistent zu wechseln, um weiterzulaufen.

Kernelemente bürstenloser Gleichstrommotoren umfassen den Permanentmagneten, wodurch die Konstruktion einem PMS-Motor (Permanentmagnet-Synchronmotor) ähnelt. Die Struktur von BLDC-Motoren ähnelt auch Schrittreluktanzmotoren oder Asynchronmotoren. Bei Nutzung eines Neodym-Magneten lassen sich BLDC-Motoren in drei Stile unterteilen: Outrunner, Inrunner oder Axial. Der Unterschied liegt im Verhältnis zwischen Stator und Rotor. Im Outrunner-Stil umgibt der Rotor den Stator, im Inrunner-Stil umgibt der Stator den Rotor; im Axialstil sind Stator und Rotor parallel zueinander in flacher Form.

Anwendungen von BLDC-Motoren

Bürstenlose Gleichstrommotoren werden für leisen Betrieb, leichteres Gerätegewicht und deutlich längere Lebensdauern bevorzugt. Dank computergestützter Stromsteuerung bieten BLDC-Motoren hochpräzise Bewegungssteuerung. Diese Vorteile machen BLDC-Motoren in modernen Geräten weit verbreitet, besonders wenn niedriger Lärm, geringe Wärmeentwicklung und konsistenter Lauf gefordert sind.

Bewegungssteuerungs-Anwendungen

BLDC-Motoren werden breit als Antriebe für Pumpen, Lüfter oder Spindeln in diversen verstellbaren Geschwindigkeitsanwendungen eingesetzt. Bürstenlose DC-Motoren bauen hohes Drehmoment mit idealer Geschwindigkeitsantwort auf. Zudem haben die Motoren beträchtliche Energieeffizienz und ideale thermische Eigenschaften. BLDC in Bewegungssteuerung nutzt elektronisches Motorsteuerungssystem und Rotorpositions-Sensor für Geschwindigkeitsrückmeldung.

BLDC-Motoren werden häufig als Servomotoren in Servoantrieben von Werkzeugmaschinen genutzt. Servomotoren sind der Kern für hochpräzise Positionierung, Bewegungssteuerung und andere mechanische Operationen. Zwar können auch Gleichstrom-Schrittmotoren in solchen Anwendungen genutzt werden, aber Schrittmotoren arbeiten mit Offener-Schleife-Steuerung und haben daher generell Drehmomentpulsationen. Fazit: Bürstenlose Gleichstrommotoren sind idealer als Servomotor aufgrund der präzisen Bewegungssteuerung durch geschlossene Regelung und stabilen, konsistenten Antrieb.

Transportausrüstung

Heutzutage finden sich bürstenlose Gleichstrommotoren in vielfältigen Transportgeräten: Elektro- oder Hybridfahrzeuge, Elektroflugzeuge, E-Bikes etc. Viele, aber nicht alle E-Bikes nutzen bürstenlose Gleichstrommotoren, die in den Radnaben integriert sind, teils mit Magneten, die mit den Rädern mitdrehen. Dasselbe Prinzip findet sich in Rädern von Elektro-Self-Balancing-Scootern.

Akku-Elektrowerkzeuge

Bürstenlose Gleichstrommotoren sind auch in vielfältigen akkubetriebenen Werkzeugen üblich: z. B. Motorsensen, Bohrer, Schrauber, Sägen. Vorteile wie geringes Gewicht und hohe Effizienz sind wichtige Faktoren, besonders bei der Auswahl handgeführter Akku-Werkzeuge.