Arten von Gleichstrommotoren: Bürsten- oder Bürstenmotoren und wie sie funktionieren

Es gibt fünf Haupttypen von Gleichstrommotoren: bürstenbehaftete Gleichstrommotoren (einschließlich Serien-, Shunt-, Verbund- und Permanentmagnet-Untertypen) und bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC). Jeder Typ arbeitet nach dem gleichen Grundprinzip – der Umwundlung elektrischer Gleichstromenergie in mechanische Rotation –, unterscheidet sich jedoch erheblich in Konstruktion, Steuerungsmethode, Effizienz und Anwendungseignung. Wenn Sie einen einfachen, kostengünstigen Motor für grundlegende Anwendungen benötigen, ist ein Bürsten-Gleichstrommotor die praktische Wahl. Wenn Sie in einer anspruchsvollen Umgebung einen hohen Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer und eine präzise Drehzahlregelung benötigen, ist ein bürstenloser Gleichstrommotor die überlegene Lösung. Dieser Leitfaden behandelt alle wichtigen Typen im Detail, damit Sie die richtige Entscheidung treffen können.

Wie Gleichstrommotoren funktionieren: Die Grundlage

Alle Gleichstrommotoren funktionieren nach dem gleichen elektromagnetischen Prinzip: Wenn ein stromdurchflossener Leiter in ein Magnetfeld gebracht wird, erfährt er eine mechanische Kraft – beschrieben durch das Lorentz-Kraftgesetz. Diese Kraft bewirkt, dass sich der Rotor (das rotierende Teil) dreht und dabei elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie umwandelt.

Der Hauptunterschied zwischen verschiedenen Gleichstrommotortypen liegt darin wie das Magnetfeld entsteht and wie Strom an den rotierenden Anker geliefert wird . In Bürsten-Gleichstrommotoren halten Kohlebürsten physischen Gleitkontakt mit einem Kommutator auf der Rotorwelle aufrecht, um Strom zu übertragen. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren wird diese mechanische Kommutierung durch elektronisches Schalten über einen speziellen Controller ersetzt, wodurch die Bürsten vollständig entfallen.

Gleichstrommotoren zeichnen sich durch mehrere wichtige Leistungsparameter aus: Drehmoment (gemessen in Nm oder oz-in), Drehzahl (U/min), Wirkungsgrad (%) und Nennleistung (Watt oder PS). Um den Motor an die Anwendung anzupassen, ist es wichtig zu verstehen, wie sich verschiedene Motortypen bei diesen Parametern verhalten.

Übersicht aller Gleichstrommotortypen

Die folgende Tabelle bietet einen allgemeinen Vergleich der primären Gleichstrommotortypen, um die Diskussion zu orientieren, bevor die einzelnen Typen eingehend untersucht werden.

Bürsten-Gleichstrommotoren: Aufbau und Funktionsweise

Ein Bürsten-Gleichstrommotor besteht aus vier Kernkomponenten: einem Stator (dem stationären Außenrahmen, der Feldwicklungen oder Permanentmagnete enthält), einem Rotor (dem rotierenden Anker, der mit Kupferspulen umwickelt ist), einem Kommutator (einem segmentierten Kupferzylinder auf der Rotorwelle) und Kohlebürsten (stationäre leitfähige Blöcke, die durch Federn gegen den Kommutator gedrückt werden).

Wenn Gleichstrom durch die Bürsten in den Kommutator fließt, erregt er nacheinander bestimmte Ankerspulen. Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Ankers und dem Feld des Stators erzeugt ein Drehmoment, das die Welle dreht. Der Kommutator schaltet mechanisch um, welche Spulen mit Strom versorgt werden, während sich der Rotor dreht, und sorgt so für eine kontinuierliche Drehung. Diese mechanische Kommutierung gibt dem Bürsten-Gleichstrommotor seinen Namen – und seine größte Einschränkung.

Der Gleitkontakt zwischen Bürsten und Kommutator verursacht Reibung, Hitze und allmählichen Verschleiß. Die meisten Kohlebürsten müssen danach ausgetauscht werden 500 bis 1.000 Betriebsstunden Bei anspruchsvollen Anwendungen kann die Lebensdauer der Bürsten bei Motoren mit niedriger Drehzahl jedoch mehr als 3.000 Stunden betragen. Durch den Bürstenverschleiß entsteht außerdem Kohlenstoffstaub, der empfindliche Umgebungen verunreinigen kann.

Die vier Arten von Bürsten-Gleichstrommotoren

1. Reihen-Gleichstrommotor

Bei einem Reihengleichstrommotor ist die Feldwicklung in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet – das heißt, durch beide fließt der gleiche Strom. Diese Konfiguration erzeugt extrem hohes Anlaufdrehmoment , oft das 5- bis 8-fache des Nennlaufdrehmoments. Allerdings schwankt die Geschwindigkeit stark mit der Last: Wenn die Last abnimmt, erhöht sich die Geschwindigkeit unbegrenzt, was zu einem gefährlichen Durchgehen führt, wenn die Last vollständig entfernt wird.

• Anlaufdrehmoment: Sehr hoch – ideal für Anwendungen, die hohe Anfangslasten erfordern
• Geschwindigkeitsregulierung: Schlecht – Geschwindigkeit nimmt mit zunehmender Last stark ab
• Darf niemals unbeladen laufen: Gefährliche Überdrehzahl kann den Motor beschädigen und ein Sicherheitsrisiko darstellen
• Typische Anwendungen: Fahrmotoren für Elektrolokomotiven, Anlasser für Kraftfahrzeuge, Kranaufzüge, elektrische Straßenbahnen

2. Gleichstrommotor parallelschalten

Bei einem Shunt-Gleichstrommotor ist die Feldwicklung parallel (Shunt) mit dem Anker über die Stromversorgung geschaltet. Da die Feldwicklung unabhängig vom Ankerstrom eine konstante Spannung erhält, bleibt das Magnetfeld nahezu konstant. Dadurch erhält der Nebenschlussmotor sein charakteristisches Merkmal: nahezu konstante Geschwindigkeit über einen weiten Lastbereich , typischerweise nur 5–10 % von Leerlauf bis Volllast schwankend.

• Geschwindigkeitsregulierung: Hervorragend – gut geeignet für Anwendungen, die eine konstante Geschwindigkeit erfordern
• Anlaufdrehmoment: Mäßig – niedriger als der Serientyp
• Geschwindigkeitsregelung: Erreichbar durch Variation der Ankerspannung oder des Feldstroms
• Typische Anwendungen: Antriebe für Werkzeugmaschinen, Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Kreiselpumpen, Ventilatoren, Förderanlagen

3. Verbund-Gleichstrommotor

Ein zusammengesetzter Gleichstrommotor kombiniert Reihen- und Nebenschlussfeldwicklungen an denselben Statorpolen und vereint so die Eigenschaften beider Typen. In einem kumulative Verbindung Bei der Konfiguration (die gebräuchlichste) verstärken sich die Reihen- und Nebenschlussfelder gegenseitig und sorgen so für ein höheres Anlaufdrehmoment als bei einem reinen Nebenschlussmotor und gleichzeitig für eine bessere Drehzahlregelung als bei einem reinen Reihenmotor.

A Differentialverbindung Bei dieser Konfiguration sind die beiden Felder einander entgegengesetzt und erzeugen eine sehr stabile Drehzahl, aber ein niedriges Anlaufdrehmoment – eine weniger verbreitete Anordnung, die in bestimmten Anwendungen mit konstanter Drehzahl verwendet wird.

• Anlaufdrehmoment: Hoch – besser als Shunt, niedriger als Serie
• Geschwindigkeitsregulierung: Mäßig – besser als die Serie, etwas schlechter als der Shunt
• Vielseitigkeit: Beste Wahl, wenn sowohl ein gutes Anlaufdrehmoment als auch eine angemessene Geschwindigkeitsstabilität erforderlich sind
• Typische Anwendungen: Stanzpressen, Scheren, Aufzüge, Luftkompressoren, Walzwerke

4. Permanentmagnet-Gleichstrommotor (PMDC)

Anstelle von gewickelten Feldspulen verwendet der Permanentmagnet-Gleichstrommotor feste Permanentmagnete, um das Statorfeld zu erzeugen. Dadurch werden Kupferverluste in der Feldwicklung vollständig eliminiert, wodurch PMDC-Motoren entstehen effizienter und kompakter als ihre Wundfeld-Gegenstücke bei gleicher Nennleistung. Der Nachteil besteht darin, dass die Feldstärke nicht variiert werden kann und die Geschwindigkeitssteuerung nur auf die Anpassung der Ankerspannung beschränkt ist.

PMDC-Motoren sind der weltweit am häufigsten hergestellte DC-Bürstenmotortyp und kommen in Hunderten von Alltagsprodukten vor. Ein typischer Fensterhebermotor für Kraftfahrzeuge ist eine PMDC-Einheit mit einer Nennleistung von 12 V Gleichstrom, erzeugt ein Drehmoment von 5–15 Nm bei Drehzahlen von 30–100 U/min nach dem Einlegen. Moderne PMDC-Motoren mit Seltenerdmagneten erreichen Wirkungsgrade von bis zu 90 % in optimierten Designs.

• Effizienz: Höher als bei gewickelten Feldtypen, da Feldwicklungsverluste eliminiert werden
• Größe und Gewicht: Kompakter für eine gegebene Leistung
• Einschränkung: Permanentmagnete können sich bei hohen Temperaturen entmagnetisieren (>150 °C für Ferrit; >120 °C für einige Seltenerdtypen).
• Typische Anwendungen: Akku-Elektrowerkzeuge, Automobilantriebe, Spielzeug, Kleingeräte, medizinische Geräte

Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC): Wie er funktioniert und warum er anders ist

Ein bürstenloser Gleichstrommotor macht den Kommutator und die Kohlebürsten vollständig überflüssig. Stattdessen trägt der Rotor Permanentmagnete und der Stator trägt die Kupferwicklungen – das Gegenteil der Anordnung eines Bürsten-Gleichstrommotors. Die Stromumschaltung zu den Statorwicklungen erfolgt elektronisch durch eine spezielle Motorsteuerung, die die Rotorpositionsrückmeldung (typischerweise von Hall-Effekt-Sensoren oder Gegen-EMK-Erkennung) nutzt, um die richtigen Statorspulen genau zum richtigen Zeitpunkt mit Strom zu versorgen.

Durch diese elektronische Kommutierung werden sämtliche Schleifkontakte vom Motor selbst entfernt. Dadurch wird Bürstenverschleiß vermieden, elektrische Geräusche reduziert und die Lebensdauer deutlich erhöht . Ein gut konzipierter BLDC-Motor kann betrieben werden 10.000 bis 30.000 Stunden ohne Wartung – im Vergleich zu 500–3.000 Stunden für einen vergleichbaren Bürsten-Gleichstrommotor unter ähnlichen Bedingungen.

Inrunner vs. Outrunner BLDC-Motoren

Bürstenlose Gleichstrommotoren gibt es in zwei physikalischen Konfigurationen, je nachdem, welches Teil sich dreht:

• Inrunner BLDC: Der Permanentmagnetrotor dreht sich im Stator – hohe Geschwindigkeit, geringeres Drehmoment. Häufig in Anwendungen wie RC-Autos, Drohnen (Innenrotorkonstruktionen) und Spindelmotoren. Typische Geschwindigkeiten von 10.000–50.000 U/min .
• Outrunner BLDC: Das Permanentmagnetgehäuse dreht sich um die Außenseite des Innenstators – geringere Drehzahl, höheres Drehmoment. Dominant bei Drohnenantrieben und Radmotoren mit Direktantrieb. Typische Geschwindigkeiten von 500–5.000 U/min mit deutlich höherer Drehmomentdichte.

Sensorlose vs. sensorgesteuerte BLDC-Steuerung

Sensorisierte BLDC-Motoren Verwenden Sie im Stator eingebettete Hall-Effekt-Sensoren, um die Rotorposition in Echtzeit zu erkennen und so eine präzise Kommutierung aus dem Stillstand zu ermöglichen. Sie werden bevorzugt in Anwendungen eingesetzt, die ein starkes Drehmoment bei niedriger Drehzahl und einen kontrollierten Start erfordern, wie z. B. Elektrofahrzeuge und industrielle Servoantriebe.

Sensorlose BLDC-Motoren Schließen Sie die Rotorposition aus der Gegen-EMK-Spannung ab, die beim Drehen des Rotors erzeugt wird. Sie sind einfacher und kostengünstiger, erfordern jedoch, dass der Motor über einer Mindestgeschwindigkeit läuft (normalerweise). 5–10 % der Nenngeschwindigkeit ), bevor eine stabile Kommutierung hergestellt wird. Häufig bei Lüfter-, Pumpen- und Drohnenanwendungen, bei denen ein Starten aus dem Stillstand unter Last nicht erforderlich ist.

Bürsten-Gleichstrommotor vs. bürstenloser Gleichstrommotor: Detaillierter Vergleich

Die Wahl zwischen einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor und einem bürstenlosen Gleichstrommotor ist eine der häufigsten Entscheidungen bei der Motorauswahl. Der folgende Vergleich deckt die Faktoren ab, die in realen Anwendungen am wichtigsten sind.

Reale Anwendungen jedes Gleichstrommotortyps

Wenn Sie verstehen, wo sich die einzelnen Motortypen in der Praxis auszeichnen, können Sie die technischen Vergleiche in umsetzbare Auswahlentscheidungen umsetzen.

Anwendungen für Serien-Gleichstrommotoren

• Elektrische Bahnfahrmotoren – klassische Anwendung, die ein enormes Anlaufdrehmoment ausnutzt
• Anlasser für Kraftfahrzeuge – hohes Anlassdrehmoment bei niedriger Spannung
• Kran- und Hebezeugantriebe – wechselnde schwere Lasten, die maximale Anfahrkräfte erfordern

Anwendungen für Nebenschluss- und Verbund-Gleichstrommotoren

• Industrielle Werkzeugmaschinen (Drehmaschinen, Fräsmaschinen) – Nebenschlussmotoren für konstante Schnittgeschwindigkeit
• Druckmaschinen – Verbundmotoren für zuverlässige Geschwindigkeit bei variablen Papierlasten
• Aufzüge – kumulative Verbindung für sanfte Beschleunigung und zuverlässiges Anhalten

Anwendungen für Permanentmagnet-Gleichstrommotoren

• Akku-Bohrschrauber und -Schrauber – kompakt, effizient, einfache Drehzahlregelung per Auslöser
• Fensterheber, Sitzversteller und Scheibenwischermotoren für Kraftfahrzeuge
• Medizinische Geräte, einschließlich Infusionspumpen und Ventilatorgebläse
• Unterhaltungselektronik und Spielzeugmotoren

Anwendungen für bürstenlose Gleichstrommotoren

• Elektrofahrzeuge: BLDC-Motoren treiben den Antriebsstrang in vielen Elektrofahrzeugen an; Der Heckmotor des Tesla Model 3 produziert 211 kW (283 PS) aus einem BLDC-Design
• Drohnen und UAVs: Outrunner-BLDC-Motoren bieten das für den Flug unerlässliche hohe Leistungsgewicht; Ein typischer Renndrohnenmotor wiegt weniger als 30 g, erzeugt aber über 1 kg Schub
• HVAC-Systeme: BLDC-Lüfter- und Kompressormotoren reduzieren den Energieverbrauch im Vergleich zu AC-Induktionsmotoren in Anwendungen mit variabler Drehzahl um 20–40 %
• Industrierobotik: BLDC-Servomotoren mit Encoder-Feedback ermöglichen eine Positionierungsgenauigkeit im Submillimeterbereich in Roboterarmen
• Computerfestplatten und Lüfter: BLDC-Spindelmotoren in Festplatten drehen sich jahrelang ohne Wartung kontinuierlich mit 5.400–15.000 U/min

So wählen Sie den richtigen Gleichstrommotortyp für Ihre Anwendung aus

Die Auswahl des richtigen Gleichstrommotortyps erfordert die Bewertung Ihrer Anwendung anhand von fünf Schlüsselkriterien. Arbeiten Sie diese systematisch durch, um Ihre Auswahl einzugrenzen.

1. Definieren Sie Ihre Drehmoment- und Drehzahlanforderungen: Berechnen Sie das benötigte Drehmoment an der Welle (einschließlich Getriebe) und den erforderlichen Drehzahlbereich. Wenn Sie ein sehr hohes Anlaufdrehmoment mit variabler Drehzahl unter hoher Last benötigen, ist ein Reihen- oder Verbundbürsten-Gleichstrommotor geeignet. Wenn Sie eine konstante Geschwindigkeit bei variabler Last benötigen, ist ein Nebenschluss- oder BLDC-Motor besser geeignet.
2. Bewerten Sie die Einschaltdauer und Lebensdauererwartung: Bei Motoren, die kontinuierlich oder über Tausende von Stunden pro Jahr laufen, rechtfertigt die Wartungsfreiheit eines BLDC-Motors seine höheren Anschaffungskosten. Für den intermittierenden Einsatz in einem kostengünstigen Produkt ist ein PMDC-Bürstenmotor wirtschaftlicher.
3. Bewerten Sie die Betriebsumgebung: Staubige, feuchte oder potenziell entflammbare Umgebungen schließen Bürsten-Gleichstrommotoren aufgrund von Lichtbogenbildung und Kohlenstoffstaub aus. BLDC-Motoren werden in explosionsgeschützten oder Reinraumanwendungen benötigt.
4. Berücksichtigen Sie die Komplexität und Kosten des Steuerungssystems: Wenn Ihr Systembudget knapp ist und die Geschwindigkeitssteuerung einfach ist (Ein/Aus oder einfache PWM), ist ein Bürsten-Gleichstrommotor mit einem einfachen Treiber die richtige Wahl. Wenn Sie eine präzise Geschwindigkeits- oder Positionssteuerung benötigen, investieren Sie in einen BLDC-Motor mit einer entsprechenden Steuerung.
5. Berücksichtigen Sie die Gesamtsystemkosten über den Produktlebenszyklus hinweg: Ein BLDC-Motor kann im Vorfeld zwei- bis dreimal teurer sein als ein vergleichbarer Bürsten-Gleichstrommotor, aber im Laufe der Produktlebensdauer entfallen Kosten für den Austausch der Bürsten und Ausfallzeiten. Bei einem Motor, der 8 Stunden am Tag läuft, erreicht der BLDC in der Regel innerhalb von zwei Stunden die Kostenparität 1 bis 3 Jahre des Betriebs.

Der Wandel hin zu bürstenlosen Gleichstrommotoren in modernen Anwendungen

Der weltweite Markt für bürstenlose Gleichstrommotoren wurde auf ca. geschätzt 15 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023 und wird bis 2030 voraussichtlich 25 Milliarden US-Dollar überschreiten, was vor allem auf die Einführung von Elektrofahrzeugen, die industrielle Automatisierung und Energieeffizienzvorschriften für HVAC-Geräte zurückzuführen ist. Unterdessen bleibt der Markt für Bürsten-Gleichstrommotoren weiterhin bedeutend – insbesondere bei kostengünstigen Konsumgütern und Kfz-Zusatzanwendungen – doch neue Design-Wins begünstigen zunehmend die bürstenlose Technologie.

Die sinkenden Kosten für Leistungselektronik und Motorsteuerungen waren der entscheidende Faktor. Ein einfacher Treiberchip für BLDC-Motoren, der im Jahr 2010 8–12 US-Dollar kostete, ist jetzt für weniger als 2 US-Dollar erhältlich, wodurch die bürstenlose Technologie in Produkten, die zuvor von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren dominiert wurden, wirtschaftlich rentabel wird. Akku-Elektrowerkzeuge sind ein klares Beispiel: Die meisten professionellen Akku-Werkzeuge, die nach 2018 auf den Markt kamen, verwenden bürstenlose Motoren , und ersetzt die PMDC-Bürstenmotoren, die diese Kategorie jahrzehntelang dominierten.

Trotz dieses Trends werden bürstenbehaftete Gleichstrommotoren noch viele Jahre relevant bleiben. Ihre Einfachheit, niedrige Systemkosten und einfache Steuerung sichern einen Platz in kostensensiblen Anwendungen mit niedrigem Arbeitszyklus, bei denen die Betriebsökonomie der bürstenlosen Technologie nicht gerechtfertigt ist.