Bürstenlose und bürstenbehaftete Gleichstrommotoren erfüllen im Wesentlichen die gleiche Funktion: Sie wandeln elektrischen Strom in Drehbewegung um. Dennoch gibt es einige Unterschiede zwischen beiden Motortypen. Zunächst werden die Funktionsprinzipien erläutert.

Funktionsprinzip eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors

Im Motorbetrieb rotieren Spule und Kommutator, Magnet und Kohlebürste stehen still. Die wechselseitige Änderung der Spulenstromrichtung wird durch den Kommutator und die Bürste erreicht, die sich mit dem Motor drehen. Bürstenmotoren werden in der Elektrofahrzeugindustrie in schnelllaufende und langsamlaufende Bürstenmotoren unterteilt.

Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor besteht aus zwei Hauptteilen: Stator und Rotor. Der Stator besitzt Magnetpole (Wicklungstyp oder Permanentmagnettyp), der Rotor eine Wicklung. Bei Erregung bildet der Rotor ebenfalls ein Magnetfeld (Magnetpole), wobei zwischen den Magnetpolen von Stator und Rotor ein Winkel besteht. Durch Veränderung der Bürstenposition kann der Stator-Rotor-Polwinkel und damit die Drehrichtung des Motors verändert werden.

Funktionsprinzip eines bürstenlosen Gleichstrommotors

Ein bürstenloser BLDC-Motor arbeitet mit elektronischer Kommutierung. Dabei bewegt sich die Spule nicht, während die Magnetpole rotieren. Er nutzt elektronische Bauelemente, um die Position der Magnetpole der Permanentmagnete über Hall-Elemente zu erfassen. Elektronische Schaltkreise schalten die Stromrichtung in den Spulen zum richtigen Zeitpunkt um und stellen so sicher, dass die richtige Magnetkraft zum Antrieb des Motors erzeugt wird.

Diese Schaltkreise dienen als Motorsteuerung. Die Steuerung eines kundenspezifischen BLDC-Motors kann auch Funktionen realisieren, die ein Bürstenmotor nicht umsetzen kann, wie z. B. die Einstellung des Leistungsschaltwinkels, das Bremsen des Motors, die Umkehrung des Motorlaufs, das Blockieren des Motors und das Unterbrechen der Motorstromversorgung über das Bremssignal.

Ein bürstenloser Gleichstrommotor besteht aus einem Motorgehäuse und einem Treiber und ist somit ein typisches mechatronisches Produkt. Da der bürstenlose Gleichstrommotor selbstgesteuert arbeitet, benötigt er keine zusätzliche Anlaufwicklung am Rotor wie ein Synchronmotor, der unter hoher Last frequenzgeregelt anläuft.

Unterschiede zwischen bürstenbehafteten und bürstenlosen Gleichstrommotoren

1. Art der Drehzahlregelung

Die Drehzahlregelung von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren erfolgt über die Anpassung der Versorgungsspannung. Die eingestellte Spannung und Stromstärke werden über Gleichrichter und Bürsten umgewandelt, um die Stärke des von den Elektroden erzeugten Magnetfelds und damit die Drehzahl zu verändern. Dieser Vorgang wird als Drehzahlregelung mit variabler Spannung bezeichnet.

Die Drehzahlregelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors besteht darin, die Versorgungsspannung des Motors konstant zu halten, das Steuersignal des Reglers zu ändern und anschließend die Schaltfrequenz der Hochleistungs-MOS-Röhre über einen Mikroprozessor zu verändern, um die Drehzahl zu ändern. Dieser Vorgang wird als Drehzahlregelung mit variabler Frequenz bezeichnet.

2. Einfacher Aufbau und lange Entwicklungsgeschichte des bürstenbehafteten Gleichstrommotors
Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor ist ein traditionelles Produkt mit stabilerer Leistung, während ein bürstenloser Gleichstrommotor ein verbessertes Produkt mit einer längeren Lebensdauer als ein herkömmlicher Motor ist. Allerdings verfügt der bürstenlose Motor über eine kompliziertere Steuerschaltung, sodass strengere Anforderungen an die Alterungsbeständigkeit der Komponenten gestellt werden.

Kurz nach der Einführung des bürstenlosen Motors wurde der bürstenbehaftete Gleichstrommotor erfunden. Der bürstenbehaftete Gleichstrommotor erfreute sich seit seiner Markteinführung großer Beliebtheit. Seine Eigenschaften: einfacher Mechanismus, einfache Herstellung, Verarbeitung, Wartung und Steuerung, schnelles Ansprechverhalten, hohes Anlaufdrehmoment; das Nenndrehmoment ist von Null bis zur Nenndrehzahl verfügbar.

3. Schnelles Ansprechverhalten und hohes Anlaufdrehmoment des bürstenbehafteten Gleichstrommotors
Der bürstenbehaftete Gleichstrommotor bietet schnelles Anlaufverhalten, hohes Anlaufdrehmoment und eine gleichmäßige Drehzahlregelung. Dadurch sind Vibrationen beim Drehzahlwechsel von Null auf Maximum kaum spürbar und beim Anfahren kann eine größere Last angetrieben werden.

Der bürstenlose BLDAC-Motor hat einen hohen Anlaufwiderstand (induktiven Widerstand). Dadurch ist der Leistungsfaktor gering, das Anlaufdrehmoment relativ gering, beim Anfahren entsteht ein Brummgeräusch mit starken Vibrationen und die Anlauflast ist geringer.

4. Der bürstenbehaftete Gleichstrommotor läuft ruhig und bietet eine perfekte Anlauf- und Bremswirkung.
Die Drehzahl des bürstenbehafteten Gleichstrommotors wird durch eine Spannungsregelung geregelt, sodass er sanft startet und bremst und mit konstanter Drehzahl läuft.

Bürstenlose Gleichstrommotoren verfügen üblicherweise über eine digitale Frequenzumwandlungssteuerung, die Wechselstrom in Gleichstrom und dann Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und die Drehzahl durch Frequenzänderung steuert. Dadurch kann der bürstenlose Motor nicht gleichmäßig laufen und vibriert stark.

5. Hochpräzise Steuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren werden üblicherweise in Kombination mit Getrieben und Decodern eingesetzt, um die Leistung der Motoren zu steigern und eine höhere Regelgenauigkeit zu erreichen. Dadurch können die beweglichen Teile nahezu überall anhalten. Alle Präzisionswerkzeugmaschinen nutzen Gleichstrommotoren zur Steuerung der Genauigkeit. Bürstenlose Motoren starten und bremsen nicht sanft, sodass die beweglichen Teile jedes Mal an unterschiedlichen Positionen anhalten und mithilfe von Positionierstiften oder Begrenzern an der gewünschten Position gestoppt werden müssen.

6. Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind kostengünstig und wartungsfreundlich.

Der einfache Aufbau, die niedrigen Produktionskosten, die große Auswahl an Herstellern und die ausgereifte Technologie ermöglichen bürstenbehaftete Gleichstrommotoren für ein breites Anwendungsspektrum, z. B. in Fabriken, Bearbeitungsmaschinen und Präzisionsinstrumenten. Bei einem Motorausfall sollte lediglich die Kohlebürste ausgetauscht werden. Bürstenlose Gleichstrommotoren verfügen über eine noch nicht ausgereifte Technologie und sind teuer, sodass ihre Einsatzmöglichkeiten begrenzt sind, z. B. in Wechselrichter-Klimaanlagen, Kühlschränken und anderen Geräten mit konstanter Drehzahl.

7. Bürstenloser Gleichstrommotor mit geringer Störung
Laut Hersteller von bürstenlosen Motoren ist die größte Verbesserung eines bürstenlosen Gleichstrommotors die Abwesenheit von Funkenbildung. Dadurch werden Funkenbildungen an ferngesteuerten Funkgeräten deutlich reduziert.

8. Geräuscharm und ruhiger Lauf
Bürstenlose Motoren laufen ruhig, mit deutlich weniger Reibung und Geräuschentwicklung, was die Stabilität des Motorbetriebs enorm unterstützt.