Brushed vs Brushless Motors : Was sind die Vor- und Nachteile der einzelnen Motortypen ? Gern geschehen. Dieser Artikel enthält Informationen zu Elektromotoren.
Der Elektromotor ist eine der wichtigsten Erfindungen unserer Neuzeit. Ich kann mir eine Welt ohne sie nicht vorstellen. Jeden Tag setzen wir auf elektromechanische Energie, um unser Leben einfacher und effizienter zu gestalten. Diese Geräte sind unverzichtbar für alles, vom Öffnen des Autofensters über die Benutzung des Aufzugs bis hin zum Rasenmähen.
Elektromotoren sind ein wesentlicher Bestandteil des modernen Lebens. Viele Menschen haben jedoch kein gutes Verständnis dafür. Wir nehmen sie irgendwie als selbstverständlich hin. Auch wenn die meisten Geräte und Stromaggregate von einem Motor angetrieben werden, können wir durch ein besseres Verständnis der Funktionsweise eines Elektromotors bessere Kauf-, Wartungs- und Nutzungsentscheidungen treffen. Elektromotoren können Wechsel- oder Gleichstrom sein und können Bürsten verwenden oder können bürstenlos sein. Wir vergleichen bürstenlose und bürstenbehaftete Elektromotoren. Um zu verstehen, wie Elektromotoren funktionieren und welche Bürsten verwendet werden, müssen wir zunächst die Grundlagen von Elektromotoren kennen.
Bürstenloser Vs. Bürstenmotor
Was ist der Unterschied?
Ich nehme an, die Antwort auf die Frage; Was der Unterschied zwischen einem bürstenlosen und einem gebürsteten Elektromotor ist, liegt auf der Hand. Einer hat Bürsten und der andere nicht. Was bedeutet das alles in der Praxis? Dieser Artikel wird ins Detail gehen, aber wer sich für ein allgemeines Verständnis der Vor- und Nachteile zwischen bürstenlosen und bürstenbehafteten Motoren interessiert, kann ihn hier finden.
Bürstenmotoren
Bürsten sind eine altmodische, einfache Technologie, die leicht zu warten ist. Obwohl sie häufiger gewartet werden müssen, müssen die Bürsten bei Verschleiß ausgetauscht werden. Dies ist kein ernsthafter Nachteil, da die meisten Bürsten für den einfachen DIY-Austausch konzipiert sind.
Der Hauptgrund, warum Bürstenmotoren nicht die besten sind, ist ihre Ineffizienz und vergleichsweise kurze Lebensdauer. Die Reibung durch den Kontakt der Bürsten mit dem Kommutator verschleißt diese; es erzeugt auch Wärme, die die Lager zusätzlich belastet. Dies macht einen Bürstenmotor weniger effizient und sie halten im Allgemeinen nicht so lange wie Motoren ohne Bürsten. Manchmal kann das Geräusch des Motors eine Ablenkung verursachen.
Bürstenlose Motoren
VIDEO Bürstenlose Motortechnologie von Makita
Bürstenlose Technologie von Makita
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Auch diese Motoren benötigen zusätzliche Komponenten wie Schalter und Kondensatoren. Dies macht die Herstellung des Motors teurer. Während diese Motoren in der Regel länger halten und nicht viel Wartung erfordern, sind Ersatzteile teurer. Da diese Motoren komplexer sind, können Reparaturen und Diagnosen schwieriger sein und Techniker mit mehr Erfahrung erfordern. Dies erhöht die langfristigen Wartungskosten. Der Motor sollte jedoch eine längere Lebensdauer haben, was die zusätzlichen, gelegentlichen Wartungskosten ausgleicht.
Was sind Bürsten?
Bürsten können verwendet werden, um Strom zu einem Anker zu leiten, auch bekannt als Rotor. Der Rotor ist ständig in Bewegung, daher ist es schwierig, ein elektrisches Kabel dauerhaft daran zu befestigen. Wenn sich der Draht verdreht und reißt, ist es unmöglich, ihn zu reparieren. Frühe Elektromotoren verwendeten Bürsten aus Kupfer, um Strom zum Rotor zu leiten. Dieser wurde später durch massive Kupferstäbe und dann durch Kohlenstoff ersetzt. Es ist ein einfaches Gerät, das ständigen Kontakt mit einer rotierenden Welle hält und eine Feder hat, die dafür sorgt, dass die Bürste bei Abnutzung der Bürste fest gegen diese Welle drückt.
Zu wissen, was eine Bürste ist, bedeutet nicht viel, wenn wir nicht verstehen, wie ein Elektromotor funktioniert. Werfen wir einen Blick auf die Geschichte des Elektromotors.
Bürstenlosen Motor
Was ist ein Elektromotor?
Die grundlegende Definition eines Elektromotors ist ein Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Mit anderen Worten, Strom zu verwenden, um Bewegung zu erzeugen. Die zugrunde liegenden Prinzipien wurden lange vor der Erfindung des ersten Elektromotors entdeckt.
Geschichte
Die Entdeckung der elektrochemischen Energie durch Alessandro Volta im Jahr 1799 löste eine Revolution aus, die Erfindung einer Batterie, die eine elektrische Ladung liefern konnte. Es dauerte weitere zwanzig Jahre, bis der dänische Physiker Hans Christian die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und Magnetfeld erkannte. Im Laufe des folgenden Jahres schritt das Verständnis der Prinzipien der elektromagnetischen Wechselwirkung schnell voran, was schließlich dazu führte, dass Michael Faraday die magnetische Wirkung der Drehbewegung demonstrierte. Das Faradaysche Induktionsgesetz wurde verwendet, um den ersten Gleichstrom-Elektromotor zu schaffen. Ein einfaches Experiment zeigte, dass ein unter einem Magneten platzierter Leiter sich um ihn winden würde, sobald ein elektrischer Strom angelegt wurde. Dies demonstrierte die Beziehung zwischen einem elektromagnetischen Feld und einem festen Magneten.
Gleichstrom-Elektromotor
Bevor der Kommutator oder bürstenbehaftete Gleichstrommotor im Jahr 1832 von William Sturgeon, einem britischen Erfinder, erfunden wurde, dauerte es eine Weile. Ein Kommutator bildet die Basis eines jeden bürstenbehafteten Elektromotors. Ein Elektromagnet zwischen festen Magneten muss seine Polarität ändern, um eine konstante Bewegung aufrechtzuerhalten. Wenn sich der Stator dreht, muss die elektromagnetische Kraft der ihn umgebenden Wicklungen zwischen Nord und Süd wechseln. Grundsätzlich müssen sich die Magnete immer wieder voneinander wegdrücken.
Mehrere Wicklungen im Stator erzeugen eine entgegengesetzte Magnetkraft, die eine kontinuierliche magnetische Abstoßung ermöglicht. Beim Drehen des Rotors wird Strom zur nächsten Wicklung geleitet. Der Kommutator ist eine massive Kupfertrommel mit Segmenten, die oben durch Rillen getrennt sind. Der rotierende Kommutator wird durch einen elektrischen Strom gespeist, der Bürsten leitet. Jeder Abschnitt des Kommutators ist mit einer Wicklung verbunden, die ein Magnetfeld erzeugt. Beim Drehen wird Strom zu einer Wicklung geleitet und kurzzeitig durch die Nut im Kommutator unterbrochen, bevor er zur nächsten Wicklung übergeht.
Ein Elektromotor funktioniert also, indem er eine Welle mit Kupferwicklungen platziert, die ein Magnetfeld (Rotor) zwischen festen Magneten auf beiden Seiten (Stator) erzeugt.
Lange Zeit galten Bürsten als die einzige Möglichkeit, Strom zu einem rotierenden Kommutator zu leiten und so den Rotor mit Energie zu versorgen. Obwohl Bürsten nicht die besten sind, können sie nützlich sein. Sie unterliegen Reibung und Verschleiß und müssen daher regelmäßig ausgetauscht werden. Die Reibung erzeugt auch Wärme, die den Wirkungsgrad des Motors verringert. Der Kontakt zwischen den Bürsten und dem Kommutator ist laut und dies überträgt auch einen Teil der Energie, was den Wirkungsgrad weiter verringert.
Der größte Vorteil bei der Verwendung von Pinseln ist ihre Einfachheit. Abgesehen vom Verschleiß der eigentlichen Bürsten kann man wenig falsch machen und die Reparatur dieser Motoren ist nicht kompliziert. Diese Technologie ist auch relativ einfach und damit erschwinglich.
Bürstenlose Wechselstrom-Elektromotoren
Die mehrphasigen bürstenlosen AC-Motoren sind am beliebtesten. Nikolas Tesla wird die Erfindung des Induktions-Wechselstrommotors im Jahr 1887 zugeschrieben. Galileo Ferraris, der 1885 einen frühen Prototyp des Wechselstrommotors baute, soll nicht der erste gewesen sein, der ihn geschaffen hat. Diese frühen Elektromotoren beruhten auf einem induktiven Strom mit mehr als einer Phase. Später wurden einphasige Synchron- und Induktionsmotoren entwickelt.
Was ist ein induktiver Strom?
Induktion ist die Energie, die von einem Magnetfeld und nicht von einem festen Leiter übertragen wird. Einfach ausgedrückt, kann induktiver Strom drahtlos mit einer elektromagnetischen Kraft (EMF) übertragen werden, anstelle eines metallischen Leiters wie Kupferdraht. Da sich der Rotor eines Elektromotors ständig in Bewegung befindet, ist dieses Prinzip sinnvoll. Bürstenlose induktive Elektromotoren nutzen die Magnetkraft der Statoren, um Rotoren mit Energie zu versorgen, sodass keine Bürsten verwendet werden müssen, die sonst diesen Strom leiten würden.
Induktive Elektromotoren verwenden Wechselströme, um gegenläufige Magnetfelder zwischen Stator und Rotor zu erzeugen. Dabei ändert sich die Anziehungs- und Abstoßungswirkung einer Magnetkraft, wenn sich ein Rotor zwischen festen Elektromagneten (Statoren) dreht.
Dies war möglich, weil frühe Elektromotoren mehr als eine Phase benötigten. Jede Phase war mit einem unabhängigen Stator verbunden, der entgegengesetzte Feldwinde hatte. Der Rotor würde von entgegengesetzten Magnetfeldern beeinflusst, je nachdem, welche Phase er durchlaufen hat. Tatsächlich wird das im Rotor erzeugte elektromotorische Feld dem Stator entgegenwirken, der es erzeugt.
Der Einphasen-Wechselstrom-Elektromotor erfordert zusätzliche Wicklungen oder eine Split-Phase-Ausführung. Ein Kupferring, der einen Teil jedes Pols bedeckt, wird verwendet, um AC-Induktionsmotoren mit niedrigem Drehmoment zu erzeugen. Der schraffierte Pol stellt ein Gegenfeld bereit, das bewirkt, dass sich der Stator dreht, wenn die Wicklung des Stators mit einem Wechselstrom erregt wird.
Die von einem Schattenpol abgeleitete Energie ist nicht hoch genug, um den Widerstand einer auf einen Motor ausgeübten Kraft zu überwinden. Diese Motoren können nicht für leichte Aufgaben verwendet werden, in der Regel weniger als 250 W (PS), wie beispielsweise ein Lüfter.
Wenn der Motor unter einer Last anlaufen muss, die der Drehung des Rotors entgegenwirkt, wie bei einer Pumpe, bei der die Kraft von Wasser auf die Laufräder einwirkt, wird mehr Drehmoment benötigt, um die elektromagnetische Kraft zu initiieren. Split-Phase wird für Elektromotoren mit hohem Anlaufdrehmoment verwendet, normalerweise mehr als 250 W. Geteilte Statorwicklungen werden verwendet, um diese Motoren anzutreiben. Die Sekundärwicklung ist zur Primärwicklung phasenverschoben. Ein Kondensator steuert diesen Schalter, der es ermöglicht, dass während des Startvorgangs Strom sowohl zur Primär- als auch zur Sekundärwicklung fließt. Der Strom wird geschaltet, um nur die Primärwicklungen zu versorgen, sobald der Motor begonnen hat, sich zu drehen.
Mehrphasige Elektromotoren (mit mehr als einer Phase) erzeugen ein Drehmoment, auch wenn sie nicht in Bewegung sind, und es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, den Motor zu starten. Traditionell wären dies Starter mit reduzierter Spannung, Autotransformator oder Stern-Dreieck-Starter. Frequenzumrichter sind jedoch die bevorzugte Methode. Drehstrommotoren werden für schwere industrielle Anwendungen bevorzugt. Sie haben auch ein hohes Anlaufdrehmoment, was sie ideal zum Heben schwerer Geräte wie Aufzüge macht. Sie haben auch eine höhere Spannung, was zu einer geringeren Stromstärke führt. Dies ist vorteilhaft, da die Wattleistung des Motors ansteigt.
Bürstenlose Gleichstrommotoren
Bürstenlose Gleichstrommotoren sind relativ neue Technologien. Dies macht die Frage nach bürstenlosen vs. bürstenbehafteten Motoren für Gleichstromgeräte am relevantesten. Dies hat mit der wachsenden Popularität von batteriebetriebenen Werkzeugen und Geräten an Bedeutung gewonnen.
Ein bürstenloser Gleichstrommotor ist im Wesentlichen dasselbe wie ein Wechselstrom-Elektromotor. Um Wechselstrom zu erzeugen oder Wechselstrom zu simulieren, wird ein Wechselrichter oder ein Schaltnetzteil verwendet. Jede Phase des Motors wird von einem Regler mit geschlossenem Regelkreis angetrieben. Erst durch die Entdeckung des Halbleiters wurde diese Technologie möglich, die eine elektronische Steuerung der elektrischen Impulse ermöglicht, die den Stator versorgen.
Da ein bürstenloser Gleichstrommotor teuer in der Herstellung ist, wurde er nicht sofort großtechnisch umgesetzt. Als sich die Batterietechnologie verbesserte, wurde der wahre Wert batteriebetriebener Maschinen erkannt.
Bürstenlose vs. gebürstete Gleichstrommotoren
Obwohl bürstenbehaftete Gleichstrommotoren billiger in der Herstellung und einfacher zu reparieren sind, machen die Vorteile der bürstenlosen Technologie die Kosten (und Komplikationen) realisierbar, wenn man Effizienz und Batterielebensdauer betrachtet.
Bürstenlose Gleichstrommotoren haben keinen Kommutator oder Bürsten und haben daher ein verbessertes Leistungsgewicht.
Der wahrscheinlich größte Vorteil eines bürstenlosen Motors bei Batteriebetrieb ist die Möglichkeit, die Leistung elektronisch zu regeln. Dies ermöglicht eine bessere Geschwindigkeitssteuerung und Energieverwaltung. Die Batteriespannung nimmt ab.
Bürsten-DC-Motoren funktionieren am besten, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Wenn sich die Batterie entlädt und die Spannung abfällt, verliert der Motor an Leistung. Ein elektronischer Wechselrichter oder ein geschaltetes Netzteil in einem bürstenlosen Motor kann den Leistungsverlust ausgleichen, wenn die Batterie leer wird. Dadurch kann ein bürstenloser Gleichstrommotor länger optimal arbeiten. Der allmähliche Drehmomentverlust durch die Batterieentladung macht sich erst bemerkbar, wenn die Batterie fast vollständig aufgeladen ist.
Dies verbessert die Effizienz und ermöglicht eine längere Laufzeit von batteriebetriebenen Geräten. Das elektronische Energiemanagement ermöglicht es uns auch, die Nutzung dieser Geräte zu optimieren, wenn der Akku leer wird.
