Welche Faktoren beeinflussen die Effizienz von bürstenlosen Motoren?

Das magnetische Material, das im Rotoren eines bürstenlosen Motors verwendet wird, spielt eine entscheidende Rolle für dessen Effizienz. Die meisten Hochleistungsbürstenlosen Motoren verwenden Dauermagnete aus Selten Erden, wie Neodym-Eisen-Bor. Diese Materialien weisen starke magnetische Eigenschaften auf, wodurch der Motor stabile und leistungsstarke Magnetfelder mit geringeren Energieverlusten erzeugen kann. Wenn das magnetische Material von niedriger Qualität ist – beispielsweise mit ungleichmäßiger magnetischer Dichte oder schwacher Magnetisierung – benötigt der bürstenlose Motor mehr Strom, um das erforderliche Drehmoment aufrechtzuerhalten. Dies verschwendet nicht nur Energie, sondern führt auch dazu, dass der Motor stärker erhitzt wird, wodurch die Effizienz weiter sinkt. Beispielsweise verwenden einige preiswerte bürstenlose Motoren Ferrit-Magnete niedriger Qualität anstelle von Magneten aus Selten Erden. Diese Ferrit-Magnete verlieren bei hohen Temperaturen schneller ihre magnetische Stärke, was bedeutet, dass der Motor stärker arbeiten muss, um lediglich den Grundbetrieb aufrechtzuerhalten. Die Auswahl eines bürstenlosen Motors mit hochwertigen, zertifizierten magnetischen Materialien (wie solchen, die Industriestandards erfüllen), ist entscheidend, um eine hohe Effizienz zu gewährleisten.

Die Steuerung eines bürstenlosen Motors und die Abstimmung seines Antriebssystems beeinflussen direkt die Effizienz. Ein gutes Antriebssystem verwendet präzise Steuerstrategien, um den Strom und die Spannung des Motors in Echtzeit anzupassen. Beispielsweise ermöglicht die Stromspitzenregelung—bei der der Antrieb den Regelzyklus konstant hält und der Statorstrom dem vorgegebenen Strom folgt—dass der bürstenlose Motor reibungslos läuft, ohne unnötige Energieverluste zu verursachen. Bei einer schlechten Abstimmung des Antriebssystems, etwa durch einen universellen Controller, der nicht zum Leistungsbereich des Motors passt, kann der bürstenlose Motor instabile Stromflüsse aufweisen. Dies kann zu höheren Widerstandsverlusten im Stator und insgesamt geringerer Effizienz führen. Einige fortschrittliche bürstenlose Motoren verfügen sogar über maßgeschneiderte Antriebssysteme, die auf spezifische Motoreigenschaften wie das Drehmomentverhalten und den Drehzahlbereich abgestimmt sind. Diese Abstimmung stellt sicher, dass der bürstenlose Motor stets in seiner effizientesten Betriebszone arbeitet, sei es bei niedriger Drehzahl mit hohem Drehmoment oder bei hoher Drehzahl mit geringer Last.

Die Konstruktion des Stators und Rotors eines bürstenlosen Motors hat einen großen Einfluss auf die Effizienz seiner Energieverwendung. Beginnen wir mit dem Stator: Wenn die Wicklungen so angeordnet sind, dass sie eine ungleichmäßige magnetische Feldverteilung erzeugen – beispielsweise durch ungeordnete, chaotische Wicklungen – entstehen höhere Kupferverluste durch Widerstand. Gut konzipierte konzentrierte Vollpolwicklungen (concentrated full pitch windings) hingegen sorgen dafür, dass der bürstenlose Motor eine gleichmäßige trapezförmige Gegenspannung (Back-EMF, elektromotorische Kraft) erzeugt, wodurch der Energieverlust während des Betriebs reduziert wird. Auch die Gestaltung des Rotors ist wichtig. Ein Rotor mit hohem Saliénzverhältnis (Verhältnis der d-Achsen- zur q-Achsen-Induktivität) kann das Reluktanzmoment des bürstenlosen Motors erhöhen. Das bedeutet, dass der Motor eine hohe Effizienz beibehält, selbst wenn die magnetische Leistung des Permanentmagneten leicht abnimmt. Beispielsweise verwenden einige bürstenlose Motoren eine rotorseitige Struktur, die den magnetischen Kreis verstärkt und dafür sorgt, dass die magnetische Flussdichte im Luftspalt gleichmäßig ist. Dadurch wird eine lokale Überhitzung verhindert und der Motor bleibt über einen längeren Zeitraum effizient im Betrieb.

Bürstenlose Motoren verlieren an Effizienz, wenn sie zu heiß werden. Daher sind Betriebstemperatur und Wärmeableitung entscheidende Faktoren. Die meisten bürstenlosen Motoren verwenden Permanentmagnete, deren Stärke mit steigender Temperatur abnimmt. Überhitzt der Motor – beispielsweise aufgrund eines heißen Umfelds oder einer zu langen Beanspruchung unter hoher Last – verringert sich die magnetische Feldstärke der Magnete. Dadurch muss der Motor mehr Strom aufnehmen, um dasselbe Drehmoment zu erzeugen, was zu höheren Energieverlusten und geringerer Effizienz führt. Eine gute Wärmeableitung hält den bürstenlosen Motor stabil und kühl. Dazu können beispielsweise metallische Gehäuse, die Wärme gut leiten, integrierte Kühlkörper oder sogar kleine Lüfter für aktive Kühlung gehören. Industrielle bürstenlose Motoren, wie sie in Automatisierungsanlagen eingesetzt werden, verfügen oft über Aluminiumgehäuse, die Wärme schnell abführen. Fehlt eine ausreichende Wärmeableitung, kann der bürstenlose Motor unerwartet abschalten oder dauerhaften Schaden an den Magneten erleiden, wodurch seine Effizienz endgültig beeinträchtigt wird.

Die Last, die ein bürstenloser Motor trägt, und die Drehzahl, mit der er betrieben wird, beeinflussen ebenfalls die Effizienz. Jeder bürstenlose Motor verfügt über eine „effiziente Betriebszone“ – einen Bereich aus Last und Drehzahl, in dem er die Energie am effektivsten nutzt. Wenn der Motor mit einer deutlich höheren oder niedrigeren Drehzahl als seinem optimalen Bereich betrieben wird oder wenn eine zu hohe (oder zu geringe) Last aufgebracht wird, sinkt die Effizienz. Beispielsweise verschwendet ein für mittlere Last und moderate Drehzahl ausgelegter bürstenloser Motor Energie, wenn er bei geringer Last mit sehr hoher Drehzahl betrieben wird. Der Motor zieht weiterhin Strom, um die hohe Drehzahl aufrechtzuerhalten, aber da die Last gering ist, wird der größte Teil dieses Stroms nicht für nützliche Arbeit genutzt. Umgekehrt führt eine Überlastung des bürstenlosen Motors dazu, dass er über seine Kapazität hinaus arbeitet, was zu höherem Strombedarf und stärkeren Kupferverlusten führt. Um eine hohe Effizienz zu gewährleisten, ist es wichtig, einen bürstenlosen Motor auszuwählen, der den tatsächlichen Anforderungen bezüglich Last und Drehzahl entspricht. Wenn beispielsweise ein Motor für ein Förderband benötigt wird, das mit konstanter mittlerer Geschwindigkeit läuft, sollte ein bürstenloser Motor gewählt werden, dessen effiziente Zone genau zu diesem Einsatzfall passt.