Seit einigen Jahren dominieren bürstenlose Motoren den Akku-Werkzeugantrieb in der professionellen Werkzeugindustrie. Das ist zwar toll, aber wo liegt das Problem? Ist es wirklich wichtig, solange ich die Holzschraube eindrehen kann? Äh, ja. Es gibt erhebliche Unterschiede und Auswirkungen zwischen Bürstenmotoren und bürstenlosen Motoren.
Bevor wir uns mit bürstenlosen Motoren und bürstenlosen Motoren befassen, wollen wir uns zunächst mit den Grundlagen des Funktionsprinzips von Gleichstrommotoren befassen. Beim Antrieb von Motoren dreht sich alles um Magnete. Magnete mit unterschiedlicher Ladung ziehen sich gegenseitig an. Die Grundidee eines Gleichstrommotors besteht darin, die entgegengesetzte elektrische Ladung des rotierenden Teils (Rotor) vom unbeweglichen Magneten (Stator) davor angezogen zu halten und ihn dadurch kontinuierlich nach vorne zu ziehen. Es ist ein bisschen so, als würde ich beim Laufen einen Boston Butter Donut am Stiel vor mir halten – ich werde immer versuchen, ihn zu greifen!
Die Frage ist, wie man die Donuts in Bewegung hält. Es gibt keine einfache Lösung. Es beginnt mit einem Satz Permanentmagneten (Permanentmagnete). Ein Satz Elektromagnete ändert seine Ladung (umkehrt die Polarität), während er rotiert, sodass immer ein Permanentmagnet mit entgegengesetzter Ladung vorhanden ist, der sich bewegen kann. Zusätzlich drückt die ähnliche Ladung, die die elektromagnetische Spule beim Wechsel erfährt, die Spule weg. Bei Bürstenmotoren und bürstenlosen Motoren ist die Art und Weise, wie der Elektromagnet seine Polarität ändert, entscheidend.
Ein Bürstenmotor besteht aus vier Grundkomponenten: Permanentmagneten, Anker, Kommutierungsringen und Bürsten. Der Permanentmagnet bildet die Außenseite des Mechanismus und ist unbeweglich (Stator). Einer der beiden ist positiv, 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. Dies ist gleichzeitig der rotierende Teil (Rotor), der üblicherweise aus Kupfer besteht, aber auch Aluminium kann verwendet werden.
Der Kommutatorring ist in zwei (2-polige Ausführung), vier (4-polige Ausführung) oder mehr Komponenten an der Ankerwicklung befestigt. Sie rotieren mit dem Anker. Die Kohlebürsten bleiben an ihrem Platz und übertragen die Ladung auf jeden Kommutator.
Sobald der Anker erregt ist, wird die geladene Spule zum entgegengesetzt geladenen Permanentmagneten gezogen. Wenn sich auch der Kommutatorring darüber dreht, bewegt er sich von der Verbindung einer Kohlebürste zur nächsten. Wenn er die nächste Bürste erreicht, kehrt sich seine Polarität um und er wird nun von einem anderen Permanentmagneten angezogen, während er von der gleichen Art elektrischer Ladung abgestoßen wird. Wenn der Kommutator die negative Bürste erreicht, wird er konkret vom positiven Permanentmagneten angezogen. Der Kommutator kommt gerade 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 und die negative Spule gleichzeitig zum positiven Magneten zieht.
Es ist, als wäre ich eine Ankerspule, die einem Boston Butter Donut hinterherjagt. Ich war nah dran, überlegte es mir dann aber anders und wollte einen gesünderen Smoothie (meine Polarität oder mein Verlangen änderte sich). Schließlich sind Donuts reich an Kalorien und Fett. Jetzt jage ich Smoothies hinterher, während ich von Boston Cream weggedrängt werde. Als ich dort ankam, wurde mir klar, dass Donuts viel besser sind als Smoothies. Solange ich den Abzug drücke, ändere ich jedes Mal, wenn ich zur nächsten Bürste komme, meine Meinung und jage gleichzeitig hektisch im Kreis den Objekten hinterher, die mir gefallen. Das ist die ultimative Anwendung für ADHS. Außerdem sind wir zu zweit dort, also jagt immer einer von uns begeistert Boston Butter Donuts und Smoothies hinterher, ist aber unentschlossen.
Bei einem bürstenlosen Motor entfallen Kommutator und Bürsten und stattdessen eine elektronische Steuerung. Der Permanentmagnet fungiert nun als Rotor und rotiert im Inneren, während der Stator nun aus einer externen, festen elektromagnetischen Spule besteht. Die Steuerung versorgt jede Spule mit Strom, basierend auf der Ladung, die zum Anziehen des Permanentmagneten erforderlich ist.
Neben der elektronischen Ladungsbewegung kann der Controller auch gleichartige Ladungen bereitstellen, um Permanentmagneten entgegenzuwirken. Da die gleichartigen Ladungen einander entgegengesetzt sind, wird der Permanentmagnet dadurch angeschoben. Der Rotor bewegt sich nun aufgrund der Zug- und Schubkräfte.
In diesem Fall bewegen sich die Permanentmagnete, sodass sie nun 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.
Elektronische Steuerungen lassen unsere jeweiligen Frühstücksfreuden vor uns herrücken, und wir streben die ganze Zeit nach den gleichen Dingen. Die Steuerung schiebt auch Dinge, die wir nicht wollen, nach hinten, um für Schub zu sorgen.
Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind relativ einfach und günstig in der Herstellung (obwohl Kupfer nicht billiger geworden ist). Da ein bürstenloser Motor eine elektronische Kommunikationseinheit benötigt, baut man praktisch einen Computer in ein kabelloses Werkzeug ein. Dies ist der Grund für die steigenden Kosten bürstenloser Motoren.
Bürstenlose Motoren bieten konstruktionsbedingt viele Vorteile gegenüber Bürstenmotoren. Die meisten dieser Vorteile hängen mit dem Verlust von Bürsten und Kommutatoren zusammen. Da die Bürste zur Ladungsübertragung den Kommutator berühren muss, entsteht Reibung. Diese reduziert die erreichbare Geschwindigkeit und erzeugt gleichzeitig Wärme. Es ist wie Fahrradfahren mit leichten Bremsen. Bei gleicher Kraftanstrengung verringert sich die Geschwindigkeit. Umgekehrt muss mehr Kraft aus den Beinen aufgebracht werden, um die Geschwindigkeit beizubehalten. Zudem erwärmen sich die Felgen durch die Reibungswärme. Bürstenlose Motoren laufen daher im Vergleich zu Bürstenmotoren bei niedrigeren Temperaturen. Dadurch sind sie effizienter und können mehr elektrische Energie in elektrische Energie umwandeln.
Auch Kohlebürsten verschleißen mit der Zeit. Dies führt bei manchen Werkzeugen zu Funkenbildung. Um die Funktionsfähigkeit des Werkzeugs zu gewährleisten, muss die Bürste regelmäßig ausgetauscht werden. Bürstenlose Motoren benötigen diese Wartung nicht.
Obwohl bürstenlose Motoren elektronische Steuerungen benötigen, ist die Rotor-Stator-Kombination kompakter. Dies ermöglicht geringeres Gewicht und kompaktere Abmessungen. Deshalb gibt es viele Werkzeuge wie den Makita XDT16 Schlagschrauber mit ultrakompaktem Design und hoher Leistung.
Es scheint ein Missverständnis über bürstenlose Motoren und Drehmoment zu geben. Das Design eines Bürstenmotors oder eines bürstenlosen Motors selbst gibt keinen Aufschluss über die Höhe des Drehmoments. Beispielsweise war das tatsächliche Drehmoment des ersten Milwaukee M18-Bohrhammers geringer als das des vorherigen Bürstenmodells.
Letztendlich hat der Hersteller jedoch einige sehr wichtige Dinge erkannt: Die in bürstenlosen Motoren verwendete Elektronik kann diesen Motoren bei Bedarf mehr Leistung zur Verfügung stellen.
Da bürstenlose Motoren heute über eine fortschrittliche elektronische Steuerung verfügen, können sie erkennen, wann sie unter Last zu bremsen beginnen. Solange sich Akku und Motor im vorgegebenen Temperaturbereich befinden, kann die Elektronik des bürstenlosen Motors mehr Strom vom Akkupack anfordern und empfangen. Dadurch können Werkzeuge wie bürstenlose Bohrer und Sägen unter Last höhere Drehzahlen halten. Das macht sie schneller. In der Regel sind sie deutlich schneller. Beispiele hierfür sind Milwaukee RedLink Plus, Makita LXT Advantage und DeWalt Perform and Protect.
Diese Technologien integrieren die Motoren, Batterien und Elektronik des Werkzeugs nahtlos in ein zusammenhängendes System, um optimale Leistung und Laufzeit zu erzielen.
Kommutierung – Ändern Sie die Polarität der Ladung – starten Sie den bürstenlosen Motor und halten Sie ihn in Rotation. Anschließend müssen Sie Drehzahl und Drehmoment regeln. Die Drehzahl lässt sich durch Änderung der Spannung am Stator des BLDC-Motors steuern. Durch Modulation der Spannung mit einer höheren Frequenz lässt sich die Motordrehzahl besser steuern.
Um das Drehmoment zu regeln, kann die Statorspannung reduziert werden, sobald die Drehmomentbelastung des Motors einen bestimmten Wert überschreitet. Dies erfordert jedoch wichtige Maßnahmen: Motorüberwachung und Sensoren.
Hall-Effekt-Sensoren bieten eine kostengünstige Möglichkeit, die Position des Rotors zu erfassen. Sie können auch die Drehzahl anhand der Zeit und Frequenz des Schaltvorgangs des Zeitsensors ermitteln.
Anmerkung des Herausgebers: Lesen Sie unseren Artikel „Was ist ein sensorloser bürstenloser Motor?“, um zu erfahren, wie die fortschrittliche BLDC-Motortechnologie Elektrowerkzeuge verändert.
Die Kombination dieser Vorteile führt zu einer längeren Lebensdauer. Obwohl die Garantie für Bürstenmotoren und bürstenlose Motoren (und Werkzeuge) innerhalb der Marke in der Regel gleich ist, können Sie bei den bürstenlosen Modellen mit einer längeren Lebensdauer rechnen. Diese kann in der Regel mehrere Jahre über die Garantiezeit hinausgehen.
Erinnern Sie sich, als ich sagte, dass elektronische Steuerungen im Grunde Computer in Ihren Werkzeugen sind? Bürstenlose Motoren sind auch der Durchbruch für intelligente Werkzeuge, die die Branche beeinflussen werden. Ohne die elektronische Kommunikation bürstenloser Motoren würde die Ein-Knopf-Technologie von Milwaukee nicht funktionieren.
Während seiner Arbeitszeit erkundet Kenny eingehend die praktischen Grenzen verschiedener Werkzeuge und vergleicht die Unterschiede. Nach Feierabend stehen sein Glaube und die Liebe zu seiner Familie an erster Stelle. Normalerweise steht er in der Küche, fährt Fahrrad (er ist Triathlon-Fan) oder geht mit anderen zum Angeln in die Tampa Bay.
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Danke für die Erklärung. Das frage ich mich schon lange, da die meisten Leute bürstenlose Motoren bevorzugen (zumindest als Argument für teurere Elektrowerkzeuge und Drohnen).
Ich möchte wissen: Erfasst der Controller auch die Geschwindigkeit? Muss dies nicht zur Synchronisierung erfolgen? Verfügt er über Hall-Elemente, die Magnete erfassen (drehen)?
Nicht alle bürstenlosen Motoren sind besser als alle Bürstenmotoren. Ich möchte sehen, wie sich die Akkulaufzeit des Gen 5X im Vergleich zum Vorgänger X4 bei mittlerer bis hoher Belastung verhält. Bürsten sind ohnehin fast nie ein lebensbegrenzender Faktor. Die ursprüngliche Motordrehzahl von Akku-Geräten liegt bei etwa 20.000 bis 25.000 U/min. Durch das geschmierte Planetengetriebe beträgt die Untersetzung im hohen Gang etwa 12:1 und im niedrigen Gang etwa 48:1. Der Auslösemechanismus und die Rotorlager des Motors, die den 25.000 U/min-Rotor im staubigen Luftstrom halten, sind in der Regel Schwachstellen.
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Veröffentlichungszeit: 31. August 2021