Bürstenloser Gleichstrommotor

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BLDC-Motor mit 3x3 Statorspulen in der Mitte, herausgebrochen aus einer Platine. Die Magnetisierung des glockenförmigen Rotors mit seinen 6 Polen ist im oberen Bildteil schwarz hervorgehoben.

Der bürstenlose Gleichstrommotor (englisch Brushless DC Motor, abgekürzt BLDC- oder BL-Motor sowie auch electronically commutated Motor, kurz EC-Motor) basiert entgegen der Namensgebung nicht auf dem Funktionsprinzip der Gleichstrommaschine, sondern ist aufgebaut wie eine Drehstrom-Synchronmaschine mit Erregung durch Permanentmagnete. Die (oft dreisträngige) Drehstromwicklung erzeugt ein drehendes magnetisches Feld, welches den permanenterregten Rotor mitzieht. Durch eine geeignete Ansteuerschaltung wird ein Regelverhalten erzielt, welches dem Verhalten einer Gleichstrommaschine weitgehend entspricht. Hierzu wird ein vereinfachter Frequenzumrichter mit Blockkommutierung eingesetzt, bei dem der Zwischenkreis direkt mit einer Gleichspannung variabler Amplitude gespeist werden kann und auf diese Weise die Drehzahl des Motors steuert.

Einsatzbereiche von EC-Motoren liegen im Bereich von Antrieben wie kleinen Ventilatoren, Antrieben in Diskettenlaufwerken, Kompressoren, Videorekordern und Modellflugzeugen, Stelleinrichtungen in Form von Servomotoren, bis hin zu Antriebssystemen für Werkzeugmaschinen wie Drehmaschinen.[1]

Aufbau[Bearbeiten]

Stator eines EC-Motors mit sechs Phasen, aus einem Floppy-Laufwerk. Rechts der abgenommene Rotor mit Permanentmagnet in Form eines Ringes.

Üblicherweise ist bei EC-Motoren der Rotor mit einem Permanentmagneten realisiert, der feststehende Stator umfasst die Spulen, die von einer elektronischen Schaltung zeitlich versetzt angesteuert werden um ein Drehfeld entstehen zu lassen, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht. Die große Mehrheit der EC-Motoren werden (wie die größeren Drehstrom-Motoren) mit drei Phasen ausgeführt. Bei kleineren EC-Motoren mit geringen Ansprüchen wie Lüftern finden sich auch Zweiphasensysteme und Einphasensysteme, in welchen das permanentmagnetisch erzeugte Rastmoment die zweite Phase ersetzt. Um winkelabhängige Drehmomentschwankungen zu minimieren, kommen gelegentlich auch höhere Phasenanzahlen zur Anwendung. Dadurch werden die Laufeigenschaften bei Ansteuerung mit einer rechteckförmigen Wechselspannung gegenüber dreiphasigen Systemen verbessert.

Kommutierung[Bearbeiten]

Erfolgt die Kommutierung des EC-Motors unabhängig von der Position, Drehzahl und Momentenbelastung des Rotors, liegt im Prinzip nur ein herkömmlicher Synchronmotor bzw. eine Form des Schrittmotors vor. Bei EC-Motoren besteht als wesentlicher Unterschied die Möglichkeit, die elektronische Kommutierung von der Rotorposition, der Rotordrehzahl und dem Drehmoment abhängig zu machen. Das stellt eine Form der direkten Rückkopplung dar, womit die Frequenz und bei manchen Systemen auch die Amplitude in Abhängigkeit von der Position und Drehzahl des Rotors verändert werden. Die elektronische Kommutierung wird damit zu einem Regler, und die Art der Erzeugung des Drehfeldes bestimmt damit wesentlich die Charakteristik des EC-Motors.

Zum Erfassen der Rotorposition und Drehzahl bestehen verschiedene Möglichkeiten:

Sensorgesteuerte Kommutierung[Bearbeiten]

Prinzipschaltung eines EC-Motors mit sensorgesteuerter Kommutierung; V1 bis V6 sind elektronische Schalter (Leistungs­transistor oder Power-MOSFETS)
Prinzipieller Verlauf der Ströme und Drehmoment in Abhängigkeit vom Drehwinkel bei Block­kommu­tierung (Dreiphasig, Zweipolig, ⟲)
EC-Motor als Radnabenantrieb eines Fahrrades.

In diesem Fall befinden sich Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren zur Erfassung des magnetischen Flusses des Rotors oder optische Sensoren im Bereich des Stators. Entsprechend dieser Stellungsinformation werden über geeignete Leistungstreiber von der Steuerelektronik die Wicklungen angesteuert, die im Rotor ein Drehmoment erzeugen. Der Vorteil ist, dass die sensorgesteuerte Kommutierung auch bei sehr geringen Drehzahlen bzw. im Stand funktioniert. Gewöhnlich werden bei dieser Kommutierung nicht alle Phasen zugleich bestromt. Bei den Dreiphasenmotoren ist üblicherweise jeweils eine Phase zu jedem Zeitpunkt stromlos.

Sensorlose Kommutierung[Bearbeiten]

Bei der sensorlosen Kommutierung erfolgt die Erfassung der Rotorposition über die in den Spulen des Stators ausgelöste Gegenspannung, welche von der elektronischen Steuerschaltung ausgewertet wird. Allerdings ist zur Auswertung der Gegenspannung eine gewisse Mindestdrehzahl erforderlich. Sensorlose EC-Motoren müssen daher wie Synchronmotoren bzw. Schrittmotoren bis zum Erreichen der Mindestdrehzahl blind geschaltet werden.

Mittlerweile gibt es allerdings Verfahren, mit denen ein EC-Motor auch unterhalb dieser Mindestdrehzahl nicht blind gesteuert wird. Dazu werden bei Stillstand kurze Stromimpulse gesendet, die den Motor zwar nicht bewegen, aber durch das magnetische Feld des Rotors beeinflusst werden. Das Magnetfeld mindert oder verstärkt den Stromfluss und verändert so die Zeit, die ein Stromimpuls benötigt, um eine Schwelle zu überschreiten. Diese Zeiten werden gemessen, und man kann damit die Rotorposition schon bei Stillstand bestimmen.

Das Anlaufen des Motors auf eine Drehzahl, bei der die Gegenspannung ausgewertet werden kann, kann nun mit einem speziellen Verfahren geregelt werden. Dabei nutzt man die Stern- oder auch Dreiecksschaltung des Motors, in der genau sechs verschiedene Ströme fließen können. Ein Strom wird dabei für den Antrieb verwendet, und jeweils ein geringer Strom 60° el. vor und hinter dem Antriebsstrom wird durch den Rotormagneten beeinflusst. Kommutiert, also um 60° el. weiter geschaltet, wird immer dann, wenn die Magnetachse mit der Achse des antreibenden Stromes übereinstimmt (°el. bezeichnet den Winkel in der Raumzeigerdarstellung. Er gleicht der mechanischen Winkellage des Rotors geteilt durch die Polpaarzahl). Das kann gemessen werden, da dort die Differenz der beiden geringeren Messströme ein Maximum hat.

Vektorregelung[Bearbeiten]

EC-Motoren können auch mit einer Vektorregelung betrieben werden, welche im Bereich von anspruchsvollen Aufgaben der Antriebstechnik Anwendung findet. Im Gegensatz zum Betrieb am Dreiphasennetz muss sich bei der Vektorregelung nicht die Rotorlage passiv der Spannung und dem Drehmoment anpassen, sondern die Spannungen aller Phasen werden aktiv der Rotorlage und dem gewünschten Drehmoment angepasst. Im stationären Zustand bilden Strom und Spannung aber dennoch ein symmetrisches Dreiphasensystem aus.

Andere bürstenlose Maschinen[Bearbeiten]

Hauptartikel: Bürstenloser Motor

Neben dem EC-Motor mit elektronischer Kommutierung existieren eine Reihe von bürstenlosen Maschinen wie die Asynchronmaschine (Käfigläufer), die Synchronmaschine (Innenpolmaschine mit bürstenloser Erregung oder Permanenterregung) oder die Kaskadenmaschine. Diese Maschinen können als Motor oder auch als Generator betrieben werden und werden mit mehrphasiger Wechselspannung betrieben.

Weblinks[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Hans-Dieter Stölting, Eberhard Kallenbach: Handbuch Elektrische Kleinantriebe. 3. Auflage. Hanser, 2006, ISBN 3-446-40019-2.
  •  Roland Büchi: Brushless-Motoren und -Regler. 1. Auflage. Verlag für Technik und Handwerk, vth, 2011, ISBN 978-3-88180-427-1.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Patent DE10102235A1: Bürstenlose Gleichstrommaschine. Veröffentlicht am 14. August 2002.