Leistungselektronik Grundlagen BLDC Motor

Bürstenlose Gleichstrommotoren, bekannt als BLDC-Motoren (Brushless DC Motors) kommen im Alltag sehr häufig vor. Vom Elektrofahrzeug bis zum Haushaltsgerät stecken diese Antriebe in fast jeder Größe in modernen Geräten. Doch wie funktionieren diese Motoren genau?

Bürstenlose Gleichstrommotoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie ohne mechanische Bürsten zur Stromübertragung auskommen. Dieser Vorteil macht sie besonders langlebig und effizient. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gleichstrommotoren sind bei BLDC-Motoren die Spulen, welche den Stator bilden, feststehend, während die Magnete, die den Rotor ausmachen, beweglich sind. Durch den Wegfall von mechanischen Bürsten wird der Verschleiß erheblich reduziert. Außerdem entsteht kein so genanntes Bürstenfeuer, welches beim Abriss der Kohlebürste über den Kommutator, also dem Stromabnehmer entsteht. Daher sind die Emissionen bezüglich EMV sehr gering und ergeben sich primär aus der Leistungselektronik sowie den Induktivitäten des Motors.

Aufbau

Ein typischer BLDC-Motor besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Stator und dem Rotor. Der Stator enthält mehrere Spulen, die elektromagnetische Felder erzeugen. Diese Felder werden durch eine elektronische Steuerung präzise aktiviert. Der Rotor hingegen ist mit Permanentmagneten ausgestattet, die durch die elektromagnetischen Kräfte des Stators in Bewegung versetzt werden. Eine elektronische Steuereinheit, auch bekannt als Electronic Speed Controller (ESC), übernimmt die Aufgabe, den Betrieb des Motors zu koordinieren und ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Dieses rotierende Magnetfeld interagiert mit den Permanentmagneten im Rotor, was zu einer Drehbewegung führt.

Kräfte

Die Lorentzkraft ist die fundamentale elektromagnetische Kraft, die auf eine bewegte Ladung in einem Magnetfeld wirkt. In einem BLDC-Motor sorgt sie für die Bewegung der Elektronen in den Spulen, wodurch ein Magnetfeld im Stator entsteht. Die eigentliche treibende Kraft im BLDC-Motor ist die magnetische Anziehung und Abstoßung.

Regelung

Die Regelung erfolgt häufig mithilfe von Hall-Sensoren, die die Position des Rotors erfassen und es ermöglichen, die Schaltzeiten der Statorspulen optimal anzupassen. Alternativ gibt es sensorlose BLDC-Motoren, die das Rotorverhalten durch Spannungsänderungen detektieren.

Sensorlose Regelung

Die Regelung eines BLDC-Motors durch einen Beobachter (auch bekannt als Observer-Based Control) ist eine fortschrittliche Regelungsmethode, die vor allem in sensorlosen BLDC-Motorsteuerungen Anwendung findet. Sie ermöglicht die präzise Erfassung der Rotorposition und -geschwindigkeit, ohne mechanische Sensoren. Hierbei werden mathematische Modelle und Algorithmen zur Abschätzung des Zustands eingesetzt.

Ein Beobachter ist ein mathematisches Modell des Motors, das basierend auf gemessenen Größen wie Strom und Spannung die nicht direkt messbaren Zustände wie die Rotorposition und -geschwindigkeit berechnet. Diese Informationen sind notwendig, um die Spulen im Stator zum richtigen Zeitpunkt zu aktivieren und das rotierende Magnetfeld zu erzeugen. Gängige Ansätze sind hier Gegen-EMK-Beobachter, Kalman-Filter und Sliding Mode Observer (SMO).

Herausforderungen

Die initialen Kosten sowie die notwendige komplexe Steuerungselektronik können Barrieren darstellen. Doch mit dem technologischen Fortschritt werden diese Herausforderungen zunehmend geringer, und BLDC-Motoren finden ihren Weg in immer mehr Anwendungen.

Die hohe Effizienz, Langlebigkeit und Vielseitigkeit macht BLDC-Motoren zum perfekten Antrieb für die zukünftige Projekte.  (mr)

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