Wie funktioniert ein BLDC-Motor: Eine detaillierte Erklärung der Prinzipien bürstenloser Gleichstrommotoren

In den letzten zwei bis drei Jahrzehnten angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung der elektronischen Technologie und der PermanentmagnetmaterialienBLDC-Motorenhaben sich von Nischenmotoren zu Mainstream-Antriebslösungen für verschiedene Branchen entwickelt.BLDC-Motorenwerden aufgrund ihrer hohen Effizienz, hohen Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer häufig in Anwendungen wie Haushaltsgeräten, Elektrowerkzeugen, Elektrofahrzeugen und industriellen Automatisierungsgeräten eingesetzt. Dennoch sind die Funktionsprinzipien von BLDC-Motoren vielen Menschen immer noch nicht bekannt. In diesem Artikel erfahren Sie alles, was Sie über das Funktionsprinzip von BLDC-Motoren wissen müssen, damit Sie einen detaillierteren Einblick in diese unglaubliche Innovation in der heutigen Elektrotechnik erhalten.

Die Grundstruktur eines BLDC-Motors

Bevor wir nun auf das Funktionsprinzip eingehen, sollten wir uns mit seiner Grundstruktur vertraut machen:

Stator: Im Motorgehäuse befestigt, besteht er im Allgemeinen aus laminierten Siliziumstahlblechen und wird von Spulen umwickelt, um mehrere Elektromagnetpole zu bilden.

Rotor: Der Rotor ist normalerweise auf der Welle montiert und enthält Permanentmagnete. BLDC-Motoren können aufgrund der unterschiedlichen Konfigurationen der Permanentmagnete in verschiedene Varianten eingeteilt werden.

Hall-Sensoren: Zur Bestimmung der Position des Rotors und der Rückmeldung an die elektronische Steuerung.

Controller: Ein elektronisches Steuersystem, das den Zeitpunkt des Stromflusses durch die Statorwicklungen basierend auf der Rückmeldung der Hall-Sensoren oder anderer Rückkopplungsmechanismen bestimmt.

Es ist erwähnenswert, dass sich die Struktur des Außenläufer-BLDC-Motors von der Innenrotorstruktur unterscheidet. Der Rotor ist außen und der Stator innen. Diese Art der Konstruktion kommt vor allem bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen ein hohes Drehmoment erforderlich ist, etwa beim Antrieb von Drohnenpropellern.

Die Prinzipien des Elektromagnetismus: Die Grundlage des BLDC-Motorbetriebs

Zwei Grundprinzipien des Elektromagnetismus bestimmen den Betrieb eines BLDC-Motors:

Ampere-Gesetz: Wenn sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld befindet, wirkt auf den Leiter eine Kraft. Der Stator eines BLDC-Motors besteht aus gewickelten Kupferwicklungen. Nachdem diese Wicklungen mit Strom versorgt wurden, erzeugen sie ein Magnetfeld, das zwischen den Permanentmagneten des Rotors interagiert und eine Kraft erzeugt, die die mechanische Bewegung für die Drehung des Rotors bereitstellt.

Faradaysches Gesetz der elektromagnetischen Induktion: Eine elektromotorische Kraft wird in einem Leiter induziert, wenn er magnetische Feldlinien schneidet oder sich in einem sich ändernden Magnetfeld befindet. Es wird häufig in der sensorlosen Steuerung eingesetzt, bei der die Rotorposition durch Erfassen der elektromotorischen Gegenkräfte erfasst wird.

Diese Prinzipien werden bei der Konstruktion industrieller bürstenloser Motoren angewendet. Dies erreichen sie, indem sie den durch die Statorwicklungen fließenden Strom fein regulieren und so günstige elektromagnetische Wechselwirkungen mit den Permanentmagneten des Rotors gewährleisten, um eine hohe Effizienz und Stabilität zu erreichen.

Der Kommutierungsprozess eines BLDC-Motors

Der wichtigste Arbeitsmechanismus im BLDC-Motor wird als elektronische Kommutierung bezeichnet. Es ist der wichtigste und wichtigste Unterscheidungsfaktor zwischen bürstenlosen Motoren und herkömmlichen Bürstenmotoren.

Prinzip der Kommutierung: Bei der Kommutierung wird die Richtung des Stromflusses in Bezug auf die Spulen des Motors geändert, sodass zwischen Rotor und Stator eine kontinuierliche elektromagnetische Wechselwirkung bestehen kann, die ein kontinuierliches Drehmoment erzeugt.

Sechsstufige Kommutierung: Die herkömmliche Steuerungsmethode von BLDC-Motoren unterteilt den elektrischen Zyklus in sechs Schritte. In jedem Schritt werden zwei der dreiphasigen Wicklungen mit Strom versorgt, während eine Phase ausgeschaltet ist.

Hall-Sensor-Feedback: Hall-Sensoren erkennen die Position der Permanentmagnete des Rotors, sodass die Steuerung bestimmen kann, welche Wicklung mit Strom versorgt werden soll und in welche Stromrichtung.

Sensorlose Steuerung: Eine fortschrittlichere Methode besteht darin, die Position des Rotors durch Überwachung der elektromotorischen Gegenkraft in der nicht erregten Phase zu bestimmen. Zur Umsetzung dieser komplexen Strategie sind keine Hall-Sensoren erforderlich, was zu einer höheren Zuverlässigkeit des Antriebs führt.

Große BLDC-Motoren nutzen in der Regel komplexere Steuerungsstrategien wie Sinuswellenantrieb oder Vektorsteuerung, um eine gleichmäßigere Drehmomentabgabe und einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen.

Die Rolle des Controllers in einem BLDC-Motorsystem

Der BLDC-Motor kann nicht alleine arbeiten und muss mit einer speziellen elektronischen Steuerung kombiniert werden:

Der Motortreiber: Normalerweise ein dreiphasiger Brückenwechselrichter auf Basis eines Leistungs-MOSFET oder IGBT, der den Strompfad entsprechend dem Steuersignal schaltet

Mikrocontroller: Empfängt Signale vom Positionssensor, führt Steueralgorithmen aus und generiert PWM-Signale zum Antrieb der Leistungsgeräte.

Regelung mit geschlossenem Regelkreis: Bietet eine genaue Geschwindigkeitsregelung oder Positionsregelung je nach Anwendungsanforderungen.

Sichere Schutzfunktion: Überstromschutz, Übertemperaturschutz, Unterspannungsschutz usw.

Anwendungen für 48-V-BLDC-Motorsysteme sind in Elektrofahrrädern, kleinen Elektrofahrzeugen und einigen anderen industriellen Anwendungen weit verbreitet. Seine Steuerungs- und Verarbeitungsschaltungen müssen höhere Spannungen und Ströme bewältigen und verfügen in der Regel über komplexere Leistungs- und Schutzfunktionen.

Die Leistungsmerkmale und Anwendungsszenarien von BLDC-Motoren

Werfen wir nun einen Blick auf ihre Leistungsvorteile, nachdem wir die Betriebsprinzipien von BLDC-Motoren kennengelernt haben:

Hoher Wirkungsgrad: Da keine Reibungsverluste durch Bürsten und Kommutatoren auftreten, liegt ihr Wirkungsgrad typischerweise über 85 %, in manchen Fällen sogar über 95 %.

Gute Drehzahl-Drehmoment-Eigenschaften: Bietet einen breiten Drehmomentbereich.

Höhere Lebensdauer: Ohne mechanische Verschleißelemente wird die Lebensdauer letztlich nur durch die Lager begrenzt.

Verbesserte Wärmeableitungseffizienz: Direkter Kontakt zwischen den Statorwicklungen und dem Motorgehäuse für eine effektivere Wärmeableitung.

Geringe Geräuschentwicklung und elektromagnetische Störungen: Es entstehen keine Funken und Geräusche durch die Bürstenkommutierung.

Aufgrund seiner speziellen Struktur ist der Außenläufer-BLDC-Motor besser in der Lage, ein höheres Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen bereitzustellen, wodurch er sich besonders für Direktantriebssysteme wie Drohnenpropeller und -lüfter usw. eignet. Mit den Vorteilen der Stabilität und Haltbarkeit ist der bürstenlose Motor die erste Wahl für die Stromversorgung in Automatisierungsgeräten und Präzisionsinstrumenten.

Die Steueralgorithmen von BLDC-Motoren

Die weiter entwickelte moderne BLDC-Steuerungstechnologie hat diese einfache sechsstufige Kommutierungsmethode übertroffen:

Trapezwellensteuerung: Die einfachste Steuerungsmethode ist eine trapezförmige Stromwellenform. Es lässt sich einfach in die Praxis umsetzen, erzeugt jedoch Drehmomentschwankungen mit beträchtlicher Amplitude.

Sinusförmige Steuerung: Antrieb des Motors durch sinusförmigen Strom, wodurch die Motordrehmomentwelligkeit reduziert und der Lauf gleichmäßiger gestaltet werden kann.

Feldorientierte Steuerung (FOC): Durch Anwendung einer mathematischen Transformation wird der 3-Phasen-Strom zur Steuerung in das rotierende Koordinatensystem übersetzt, was zu einer optimalen Drehmomentsteuerung und Energieeffizienz führt.

Sensorfusionstechnologie: Integriert mehrere Rückkopplungssignale (z. B. Hall-Sensoren, Encoder und Stromabtastung) für eine bessere Steuerungsgenauigkeit und Robustheit.

Aufgrund der Herausforderungen bei Hochleistungsanwendungen, wie z. B. Wärmemanagement, Effizienzoptimierung und dynamische Reaktion, werden für große BLDC-Motoren typischerweise ausgefeiltere Steuerungsalgorithmen verwendet.

Fazit: Die Funktionsprinzipien und Vorteile von BLDC-Motoren

BLDC-MotorenSteuern Sie den Strom in den Statorwicklungen präzise über ein elektronisches Steuerungssystem und interagieren Sie mit den Permanentmagneten des Rotors, um eine effiziente Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie zu erreichen. Von kleinen Unterhaltungselektronikgeräten bis hin zu großen Industrieanlagen, von Niederspannungsanwendungen bis hin zu 48-V-BLDC-Motorsystemen – bürstenlose Gleichstrommotoren treiben mit ihrem hohen Wirkungsgrad, ihrer hohen Zuverlässigkeit und ihrer hervorragenden Steuerungsleistung den technologischen Fortschritt und die Verbesserung der Energieeffizienz in verschiedenen Branchen voran. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der elektronischen Steuerungstechnik und der Permanentmagnetmaterialien können wir davon ausgehen, dass BLDC-Motoren breitere Anwendungsperspektiven und eine herausragendere Leistung haben werden.

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