Seit einigen Jahren beobachten wir, dass bürstenlose Motoren den kabellosen Werkzeugantrieb in der professionellen Werkzeugindustrie dominieren. Das ist großartig, aber was ist das große Problem? Ist es wirklich wichtig, solange ich diese Holzschraube eindrehen kann? ähm, ja. Beim Umgang mit Bürstenmotoren und bürstenlosen Motoren gibt es erhebliche Unterschiede und Auswirkungen.
Bevor wir uns mit den Zwei-Fuß-Bürsten- und bürstenlosen Motoren befassen, wollen wir zunächst die Grundkenntnisse des tatsächlichen Funktionsprinzips von Gleichstrommotoren verstehen. Beim Antrieb von Motoren dreht sich alles um Magnete. Gegensätzlich geladene Magnete ziehen sich gegenseitig an. Die Grundidee eines Gleichstrommotors besteht darin, die entgegengesetzte elektrische Ladung des rotierenden Teils (Rotor) vom unbeweglichen Magneten (Stator) vor ihm angezogen zu halten und dadurch kontinuierlich vorwärts zu ziehen. Es ist ein bisschen so, als würde ich beim Laufen einen Boston Butter Donut auf einen Stock vor mir legen – ich werde immer wieder versuchen, ihn zu greifen!
Die Frage ist, wie man die Donuts in Bewegung hält. Es gibt keinen einfachen Weg, dies zu tun. Es beginnt mit einem Satz Permanentmagnete (Permanentmagnete). Eine Reihe von Elektromagneten ändert ihre Ladung (umgekehrte Polarität), wenn sie sich drehen, sodass immer ein Permanentmagnet mit der entgegengesetzten Ladung vorhanden ist, der sich bewegen kann. Darüber hinaus wird die Spule durch die ähnliche Ladung, die die elektromagnetische Spule bei ihrer Änderung erfährt, weggedrückt. Wenn wir uns Bürstenmotoren und bürstenlose Motoren ansehen, ist es entscheidend, wie der Elektromagnet die Polarität ändert.
Ein Bürstenmotor besteht aus vier Grundkomponenten: Permanentmagneten, Ankern, Kommutierungsringen und Bürsten. Der Permanentmagnet bildet die Außenseite des Mechanismus und bewegt sich nicht (Stator). Einer ist positiv und der andere negativ geladen, wodurch ein permanentes Magnetfeld entsteht.
Der Anker ist eine Spule oder eine Reihe von Spulen, die bei Erregung zu einem Elektromagneten werden. Dabei handelt es sich auch um den rotierenden Teil (Rotor), meist aus Kupfer, es kann aber auch Aluminium verwendet werden.
Der Kommutatorring ist in zwei (2-polige Konfiguration), vier (4-polige Konfiguration) oder mehr Komponenten an der Ankerspule befestigt. Sie drehen sich mit dem Anker. Schließlich bleiben die Kohlebürsten an Ort und Stelle und übertragen die Ladung auf jeden Kommutator.
Sobald der Anker mit Strom versorgt wird, wird die geladene Spule zum entgegengesetzt geladenen Permanentmagneten gezogen. Wenn sich auch der darüber liegende Kommutatorring dreht, bewegt er sich von der Verbindung einer Kohlebürste zur nächsten. Wenn es die nächste Bürste erreicht, erfährt es eine Polaritätsumkehr und wird nun von einem anderen Permanentmagneten angezogen, während es von der gleichen Art elektrischer Ladung abgestoßen wird. Wenn der Kommutator die negative Bürste erreicht, wird er nun spürbar vom positiven Permanentmagneten angezogen. Der Kommutator kommt rechtzeitig an, um eine Verbindung mit der positiven Elektrodenbürste herzustellen und dem negativen Permanentmagneten zu folgen. Die Bürsten sind paarweise angeordnet, sodass die positive Spule zum negativen Magneten zieht und die negative Spule gleichzeitig zum positiven Magneten zieht.
Es ist, als wäre ich eine Ankerspule, die einem Boston Butter Donut nachjagt. Ich war nah dran, überlegte es mir dann aber anders und entschied mich für einen gesünderen Smoothie (meine Polarität oder mein Wunsch änderten sich). Schließlich sind Donuts reich an Kalorien und Fett. Jetzt bin ich auf der Suche nach Smoothies, während ich gleichzeitig von Boston Cream abgedrängt werde. Als ich dort ankam, wurde mir klar, dass Donuts viel besser sind als Smoothies. Solange ich den Abzug drücke, werde ich jedes Mal, wenn ich zum nächsten Pinsel komme, meine Meinung ändern und gleichzeitig den Objekten, die ich mag, in einem hektischen Kreis nachjagen. Es ist die ultimative Anwendung für ADHS. Außerdem sind wir zu zweit dort, sodass Boston Butter Donuts und Smoothies immer von einem von uns begeistert, aber unentschlossen gejagt werden.
Bei einem bürstenlosen Motor entfallen der Kommutator und die Bürsten und Sie erhalten eine elektronische Steuerung. Der Permanentmagnet fungiert nun als Rotor und dreht sich im Inneren, während der Stator jetzt aus einer externen feststehenden elektromagnetischen Spule besteht. Der Controller versorgt jede Spule mit Strom, basierend auf der Ladung, die zum Anziehen des Permanentmagneten erforderlich ist.
Neben der elektronischen Bewegung von Ladungen kann der Controller auch ähnliche Ladungen bereitstellen, um Permanentmagneten entgegenzuwirken. Da die Ladungen gleicher Art einander entgegengesetzt sind, drückt dies auf den Permanentmagneten. Nun bewegt sich der Rotor aufgrund der Zug- und Druckkräfte.
In diesem Fall bewegen sich die Permanentmagnete, sodass sie jetzt mein Laufpartner und ich sind. Wir ändern nicht mehr die Vorstellung davon, was wir wollen. Stattdessen wussten wir, dass ich Boston Butter Donuts wollte und mein Partner Smoothies wollte.
Elektronische Steuerungen ermöglichen es uns, unsere jeweiligen Frühstücksfreuden vor uns herzubewegen, und wir verfolgen immer die gleichen Dinge. Der Controller bringt auch Dinge hinter uns, die wir nicht wollen, um für Anstoß zu sorgen.
Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind relativ einfach und kostengünstig herzustellende Teile (obwohl Kupfer nicht billiger geworden ist). Da ein bürstenloser Motor einen elektronischen Kommunikator erfordert, beginnen Sie tatsächlich damit, einen Computer in ein kabelloses Werkzeug zu verwandeln. Dies ist der Grund für die steigenden Kosten bürstenloser Motoren.
Aus konstruktiven Gründen haben bürstenlose Motoren viele Vorteile gegenüber Bürstenmotoren. Die meisten davon sind auf den Verlust von Bürsten und Kommutatoren zurückzuführen. Da die Bürste zur Ladungsübertragung Kontakt mit dem Kommutator haben muss, entsteht auch Reibung. Reibung verringert die erreichbare Geschwindigkeit und erzeugt gleichzeitig Wärme. Es ist wie Fahrradfahren mit leichten Bremsen. Wenn Ihre Beine die gleiche Kraft aufwenden, verlangsamt sich Ihre Geschwindigkeit. Umgekehrt müssen Sie, wenn Sie die Geschwindigkeit beibehalten möchten, mehr Energie aus Ihren Beinen gewinnen. Außerdem erhitzen Sie die Felgen durch die Reibungswärme. Das bedeutet, dass bürstenlose Motoren im Vergleich zu Bürstenmotoren mit einer niedrigeren Temperatur laufen. Dadurch haben sie einen höheren Wirkungsgrad, sie wandeln also mehr elektrische Energie in elektrische Energie um.
Auch Kohlebürsten nutzen sich mit der Zeit ab. Dies ist die Ursache für Funkenbildung in manchen Werkzeugen. Um den Betrieb des Werkzeugs aufrechtzuerhalten, muss die Bürste von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden. Bei bürstenlosen Motoren ist diese Art der Wartung nicht erforderlich.
Obwohl bürstenlose Motoren elektronische Steuerungen erfordern, ist die Rotor/Stator-Kombination kompakter. Dies führt zu Möglichkeiten für ein geringeres Gewicht und eine kompaktere Größe. Aus diesem Grund sehen wir viele Werkzeuge wie den Makita XDT16 Schlagschrauber mit ultrakompaktem Design und starker Leistung.
Es scheint ein Missverständnis über bürstenlose Motoren und Drehmoment zu geben. Das Design eines bürstenbehafteten oder bürstenlosen Motors selbst gibt keinen wirklichen Aufschluss über die Größe des Drehmoments. Beispielsweise war das tatsächliche Drehmoment des ersten Milwaukee M18-Brennstoffbohrhammers geringer als das des Vorgängermodells mit Bürstenbesatz.
Letztendlich stellte der Hersteller jedoch einige sehr kritische Dinge fest. Die in bürstenlosen Motoren verwendete Elektronik kann diesen Motoren bei Bedarf mehr Leistung liefern.
Da bürstenlose Motoren jetzt über eine fortschrittliche elektronische Steuerung verfügen, können sie erkennen, wann sie unter Last zu bremsen beginnen. Solange sich Batterie und Motor innerhalb des Temperaturspezifikationsbereichs befinden, kann die Elektronik des bürstenlosen Motors mehr Strom vom Batteriepaket anfordern und empfangen. Dadurch können Werkzeuge wie bürstenlose Bohrer und Sägen unter Last höhere Geschwindigkeiten aufrechterhalten. Dadurch werden sie schneller. Normalerweise geht es viel schneller. Einige Beispiele hierfür sind Milwaukee RedLink Plus, Makita LXT Advantage und DeWalt Perform and Protect.
Diese Technologien integrieren die Motoren, Akkus und Elektronik des Werkzeugs nahtlos in ein zusammenhängendes System, um optimale Leistung und Laufzeit zu erreichen.
Kommutierung – Polarität der Ladung ändern – bürstenlosen Motor starten und weiterdrehen. Als nächstes müssen Sie Geschwindigkeit und Drehmoment steuern. Die Geschwindigkeit kann durch Ändern der Spannung des BLDC-Motorstators gesteuert werden. Durch die Modulation der Spannung mit einer höheren Frequenz können Sie die Motorgeschwindigkeit besser steuern.
Um das Drehmoment zu steuern, können Sie die Statorspannung reduzieren, wenn die Drehmomentbelastung des Motors einen bestimmten Wert überschreitet. Damit gehen natürlich wichtige Anforderungen einher: Motorüberwachung und Sensoren.
Hall-Effekt-Sensoren bieten eine kostengünstige Möglichkeit, die Position des Rotors zu erfassen. Sie können die Geschwindigkeit auch anhand der Zeit und Häufigkeit des Schaltens des Zeitgebersensors erkennen.
Anmerkung des Herausgebers: Sehen Sie sich unseren Artikel „Was ist ein sensorloser bürstenloser Motor“ an, um zu erfahren, wie die fortschrittliche BLDC-Motortechnologie Elektrowerkzeuge verändert.
Die Kombination dieser Vorteile hat einen weiteren Effekt: eine längere Lebensdauer. Obwohl die Garantie für bürstenbehaftete und bürstenlose Motoren (und Werkzeuge) innerhalb der Marke normalerweise gleich ist, können Sie bei den bürstenlosen Modellen mit einer längeren Lebensdauer rechnen. Dies kann in der Regel mehrere Jahre über die Garantiezeit hinausgehen.
Erinnern Sie sich, als ich sagte, dass elektronische Steuerungen im Wesentlichen Computer in Ihren Werkzeugen einbauen? Bürstenlose Motoren sind auch der Durchbruch für intelligente Werkzeuge, die sich auf die Branche auswirken werden. Ohne die Abhängigkeit von bürstenlosen Motoren und elektronischer Kommunikation würde die Ein-Knopf-Technologie von Milwaukee nicht funktionieren.
Auf der Uhr untersucht Kenny eingehend die praktischen Grenzen verschiedener Tools und vergleicht die Unterschiede. Nach der Arbeit stehen sein Glaube und die Liebe zu seiner Familie für ihn an erster Stelle. Normalerweise bist du in der Küche, fährst Fahrrad (es ist ein Triathlon) oder gehst mit Leuten einen Tag lang in Tampa Bay angeln.
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Danke für die Erklärung. Das frage ich mich schon seit langem, da die meisten Leute bürstenlose Modelle befürworten (zumindest als Argument für teurere Elektrowerkzeuge und Drohnen).
Ich möchte wissen: Erkennt der Controller auch die Geschwindigkeit? Muss die Synchronisierung nicht durchgeführt werden? Verfügt es über Hall-Elemente, die Magnete erfassen (drehen)?
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 31. August 2021