Einführung in BLDC-Produkte und Analyse der Anwendungsszenarien

Einführung in BLDC-Produkte und Analyse der Anwendungsszenarien

I. Einführung in BLDC

Ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) ist eine Art Gleichstrommotor, der keine mechanischen Kommutierungskontakte (Kohlebürsten) verwendet. Stattdessen erfolgt die Kommutierung mithilfe einer elektronischen Steuerung, wodurch der traditionelle Gleichstrommotor mit Bürsten ersetzt wird.

Das Gegenstück dazu ist der grundlegende „Gleichstrommotor (gebrüschter Motor)“. Eine Spule befindet sich innerhalb eines magnetischen Feldes. Sobald Strom fließt, wird die Spule von einem Magnetpol abgestoßen und vom anderen angezogen, wodurch sie unter diesem Effekt kontinuierlich rotiert. Während der Rotation wird die Richtung des durch die Spule fließenden Stroms umgekehrt, sodass die Drehbewegung fortgesetzt werden kann.

Bei einem Gleichstrommotor (Bürstenmotor) ist das durch die feststehenden Permanentmagnete erzeugte Magnetfeld stationär. Die Drehbewegung wird durch Steuerung des von der Spule (Rotor) im Inneren erzeugten Magnetfelds erreicht. Die Drehzahl wird durch Variation der Spannung geändert. Bei einem BLDC-Motor besteht der Rotor aus Permanentmagneten. Die Drehbewegung wird durch Änderung der Richtung des von den umgebenden Spulen erzeugten Magnetfelds erreicht. Die Drehung des Rotors wird gesteuert, indem Richtung und Betrag des durch die Spulen fließenden Stroms reguliert werden.

Drehstromlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) gibt es in drei Ausführungen: einphasig, zweiphasig und dreiphasig. Unter diesen ist der dreiphasige BLDC-Motor am gebräuchlichsten. Im Allgemeinen werden einphasige und dreiphasige bürstenlose Motoren häufig in haushaltsüblichen elektrischen Geräten eingesetzt. Das zugrundeliegende Funktionsprinzip dieser beiden Ausführungen ist identisch, ihre Steuerungsverfahren unterscheiden sich jedoch geringfügig.

Bei einem einphasigen bürstenlosen Motor werden alle internen Wicklungen mit einem einzigen Draht vollständig ausgeführt. Die Stromrichtung unterscheidet sich zwischen den Wicklungen. Durch das Umschalten der Stromrichtung an geeigneten Positionen und zu geeigneten Zeitpunkten kann eine Drehzahlsteuerung des Motors erreicht werden. Die Steuerungsmethode für diese Konfiguration ist relativ einfach, weshalb sie häufig in Anwendungen wie Kühlerlüftern eingesetzt wird.

Im Gegensatz zur einphasigen Bauweise sind die internen Wicklungen eines dreiphasigen bürstenlosen Motors in drei Gruppen unterteilt. Oberflächlich betrachtet erscheinen diese als drei unabhängige Wicklungssätze, sind jedoch intern miteinander verbunden. Im Vergleich zur einphasigen Bauweise bietet diese Motoranordnung Vorteile hinsichtlich der Drehzahlsteuerung und der gesamten Geräuschreduzierung, was zu einem breiteren Anwendungsspektrum führt.

II. Merkmale bürstenloser Motoren

1. Kann die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren, die Drehzahlregelung mittels Wechselrichter + frequenzvariabler Motoren sowie die Drehzahlregelung von Asynchronmotoren mit Getriebe ersetzen ;

2. Behält die Vorteile herkömmlicher Gleichstrommotoren bei und eliminiert gleichzeitig die Kohlebürsten- und Schleifringstruktur ;

3. Fähig zum Betrieb mit niedriger Drehzahl und hoher Leistung; kann große Lasten direkt antreiben, ohne ein Untersetzungsgetriebe zu benötigen ;

4kleine Bauform, geringes Gewicht, hohe Ausgangsleistung;

5ausgezeichnete Drehmomentkennlinien, gute Drehmomentleistung im mittleren und niedrigen Drehzahlbereich, hohes Anfahrdrehmoment, geringer Anlaufstrom;

6. Stufenlose Drehzahlregelung, breiter Drehzahlbereich, hohe Überlastfähigkeit ;

7. Weicher Anlauf/Anhalten, gute Bremscharakteristik; kann den Einsatz ursprünglicher mechanischer oder elektromagnetischer Bremsvorrichtungen entfallen lassen ;

8. Hoher Wirkungsgrad: Der Motor selbst weist keine Erregerverluste oder Kohlebürstenverluste auf und eliminiert den Energieverbrauch mehrstufiger Untersetzungen, wodurch eine umfassende Energieeinsparung von 20 % bis 60 % erreicht wird ;

9. Hohe Zuverlässigkeit, gute Stabilität, starke Anpassungsfähigkeit, einfache Wartung und Reparatur;

10. Schwingungs- und stoßfest, geräuscharm, geringe Vibration, ruhiger Lauf, lange Lebensdauer ;

11. Keine Funkenbildung, besonders geeignet für explosionsgefährdete Umgebungen; explosionsgeschützte Modelle erhältlich ;

12. Trapezwellen-Feldmotoren und Sinuswellen-Feldmotoren können je nach Anforderung ausgewählt werden .

III. Anwendungsszenarien für bürstenlose Motoren

Anwendungen mit konstanter Last

Diese Art von Anwendung wird hauptsächlich in Bereichen eingesetzt, die eine bestimmte Drehzahl erfordern, jedoch nur geringe Genauigkeitsanforderungen an diese Drehzahl stellen, wie z. B. Ventilatoren, Wasserpumpen und Haartrockner. Solche Anwendungen weisen typischerweise relativ niedrige Kosten auf und verwenden häufig eine Steuerung im offenen Regelkreis.

Anwendungen mit variabler Last

Diese beziehen sich hauptsächlich auf Anwendungen, bei denen die Motordrehzahl innerhalb eines bestimmten Bereichs variiert werden muss. Solche Anwendungen stellen höhere Anforderungen an die Hochgeschwindigkeitseigenschaften und die dynamische Reaktionsfähigkeit des Motors. Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen, Schleudertrockner und Kompressoren sind gute Beispiele hierfür. In der Automobilindustrie zählen ebenfalls die Steuerung von Ölpumpen, elektronische Steuergeräte, Motorsteuerung sowie elektronische Werkzeuge zu hervorragenden Beispielen. Auch im Luft- und Raumfahrtbereich gibt es zahlreiche Anwendungen, beispielsweise Zentrifugen, Pumpen, Roboterarme und Gyroskope. In diesem Bereich werden häufig Motorrückmeldesysteme eingesetzt, um halboffene Regelkreise und geschlossene Regelkreise zu realisieren. Dies erfordert komplexe Regelalgorithmen, was die Komplexität der Steuerungseinheit und die Systemkosten erhöht.

Positionierungsanwendungen

Die meisten industriellen Steuerungs- und Automatisierungsanwendungen fallen in diese Kategorie. Zu diesen Anwendungen gehört häufig die Energieübertragung, beispielsweise über Getriebe oder Förderbänder. Daher stellt das System spezifische Anforderungen an die dynamische Drehzahlreaktion und das Drehmoment des Motors. Zudem können diese Anwendungen häufige Richtungswechsel des Motors erfordern. Der Motor kann in Beschleunigungs-, Konstantgeschwindigkeits- oder Verzögerungsphasen betrieben werden, wobei die Last während dieser Phasen ebenfalls variieren kann. Dies stellt höhere Anforderungen an die Steuerung.