EC Motoren (bürstenlos)

Grundlagen

Basiskonfiguration

BLDC-Antriebsschaltung
(brushless direct current -
bürstenlose Gleichstrommaschine)

BDLC-Motoren haben die Wicklung im Stator, nicht im Rotor (wie Gleichstrommotoren mit Bürsten). Der mechanische Kommutator / das Bürstensystem wird durch einen elektronischen Kommutator ersetzt – die BLDC-Antriebsschaltung.

Die Antriebsschaltung schaltet die Gleichstrom-Versorgungsspannung auf die Motorwicklungen. Die meisten BLDC-Motoren haben 3 Wicklungen, die sternförmig verbunden sind.

Der Sternpunkt ist nur innen verbunden, so dass nur 3 Leitungen nach außen gehen.

Durch die Impulsbreitenmodulation (PWM - Pulse Width Modulation) kann die Antriebsschaltung die Durchschnittsspannung zum Motor ändern, um die Geschwindigkeit zu kontrollieren.

Die Permanentmagneten sitzen im Rotor.

3 Hallsensoren, die im Stator eingebettet sind, messen die Winkelposition des Rotors. Wenn die Rotormagnetpole die Hallsensoren passieren, geben sie ein hohes oder niedriges Signal, wodurch angezeigt wird, ob es sich um den Nord- oder Südpol handelt.

Sensorlose Version

BLDC Motoren können auch kommutiert werden, indem anstatt der Verwendung von Hallsensorsignalen die hinteren EMF-Signale überwacht werden. Der Motor muss im offenem Kreis gestartet werden. Dann schaltet die Kontrolle auf die Abtastung der hinteren EMF. Es besteht eine Beschränkung auf Anwendungen mit ziemlich gleichbleibendem Drehmoment und ohne dynamische Anforderungen, wie z.B. bei Lüftern oder Pumpenantrieben.

Die JE Motormodelle E7IHM-24 und E9IWS-28 funktionieren ohne Hallsensoren für Lüfteranwendungen.

Schnittstellenversionen

Es stehen verschiedene Versionen von Schnittstellen zum BLDC-Motor zur Auswahl:

BLDC mit Hallsensoren Externe Antriebsschaltungen 3 Phasen für Strom 3 Hallsensorsignale VCC für Hallsensoren GND für Hallsensoren
BLDC sensorlos Externe Antriebsschaltung 3 Pol Verbindung 3 Phasen für Strom Normale Verwendung für Lüfter/Gebläse
BLDC mit Hall oder sensorlos Treiberschaltung integriert 3 Pol Verbindung Signal für Geschwindigkeit und Richtung (analog Spannung oder Strom oder Bussignal) VCC für Antrieb und Hallsensoren GND für Antrieb und Hallsensoren

Für Anwendungen mit gleichbleibender Geschwindigkeit und Richtung wird nur eine 2 Pol Verbindung benötigt (VCC und GND).

BLDC Motoren im Vgl. zu Gleichstrommotoren mit Bürsten

Gleichstrommotor mit Bürsten

Rotor	Rotorwicklungen und Kommutator
Stator	Stator-Permanentmagnete und Bürsten
Motorspannung	Gleichspannung an 2 Leitern

BLDC

Rotor	Rotor-Permanentmagnete
Stator	Statorwicklungen; Hallsensoren
Motorspannung	PWM Gleichspannung von der Antriebsschaltung; 3 Phasen

Interner Rotormotor / Externer Rotormotor

Es gibt 2 grundlegende Konstruktionsversionen: Interne Rotormotoren haben ein geschlossenes Gehäuse und die Magneten sind auf der Welle montiert. Sie haben eine niedrige Trägheit und können hohe Geschwindigkeiten erreichen. Anwendung für hochdynamische Anforderungen, üblicherweise in Kombination mit einem Getriebe. Ein geschlossenes Gehäuse ermöglicht einen hohen IP-Code (Schutzart).

Externe Rotormotoren haben kein geschlossenes Gehäuse und ihre Magnete sind auf einen beweglichen Teil des Gehäuses montiert. Der bewegliche Gehäuseteil leitet das Drehmoment zur Welle. Wegen des großen Luftspalts von der Mitte der Welle und der großen Länge des Luftspalts werden bei niedriger Geschwindigkeit hohe Drehmomente generiert. Üblicherweise werden sie für Direktantriebe verwendet, bei denen keine Getriebe notwendig sind. Die große Trägheit resultiert in einer niedrigen Dynamikfähigkeit, ermöglicht aber eine niedrige Geschwindigkeitswelligkeit und einen reibungslosen Betrieb. Nur niedriger IP-Code (Schutzart) möglich. Der Marktanteil von externen Rotormotoren ist höher, sie werden in großvolumigen Anwendungen wie z.B. Lüftern und Gebläsen verwendet.

JE Interner Rotor BLDC Motor E7IHL-240

JE Externer Rotor BLDC Motor E6EHS-12

Hochspannungsversion

Die Versorgungsspannung für die Antriebsschaltung beträgt 120Vac oder 230Vac.

Es wird eine spezielle Ansteuerungs-IC verwendet, die die Spannung direkt, ohne einen Transformator, gleichrichtet und die hohe Gleichspannung auf die Motorwicklungen schaltet.

Die JE Motormodule E7IHL-120 und E7IHL-240 sind die Hochspannungsversionen.

Leistungskurve

Die Leistungskurve (Performance Curve - PC) ist im Wesentlichen die gleiche wie bei Gleichstrommotoren mit Bürsten. Die Herstellungstoleranz für Drehzahl ohne Last ist gleichfalls bei ca. +-10% spezifiziert.

Der Nennbetriebspunkt (Nenndrehmoment) ist normalerweise für kontinuierlichen Arbeitszyklusbetrieb definiert. Ein niedrigerer Arbeitszyklusbetrieb ermöglicht höhere Drehmomentbelastungen (Überladung).

Die Überladung wird nicht nur vom Temperaturanstieg der Wicklungen, sondern auch von der Strombegrenzung der Antriebsschaltung begrenzt.

Ein Kühlblech (Metallflansch zum Baugruppenträger oder Getriebe) erhöht die Belastbarkeit der Wicklung, aber nicht die der Ansteuerungselektronik.

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Geschwindigkeitskontrolle bei geschlossenem Kreislauf

Die Antriebsschaltung lässt sich um eine Kontrollschaltung ergänzen.

Hallsensoren (oder ein zusätzlicher optischer Geber) werden zur Messung der tatsächlichen Geschwindigkeit des Rotors verwendet. Dieses Signal ist die tatsächliche Werteingabe für die Kontrollschaltung, die normalerweise auf einem PI-Kontrollalgorithmus basiert.

Das Spannungsniveau für den Motor wird durch Implementierung einer zusätzlichen Funktion in der Antriebsschaltung eingestellt:
PWM (Pulsweitenmodulation).

Die durchschnittliche Spannung zu den 3 Wicklungen lässt sich durch EIN/AUS Schalten der Versorgungsspannung variieren.

Die Schaltfrequenz ist sehr hoch (10 kHz oder höher).

Die Geschwindigkeit lässt sich unabhängig vom Lastmoment konstant halten. Allerdings kann die Leistungskurve nicht höher sein als die des Offenkreis-Betriebs. Dies muss bedacht werden, wenn der PC für den Betrieb im geschlossenen Kreis programmiert wird. Die Motorherstellungstoleranz sollte ebenfalls bedacht werden (Drehzahl ohne Last +-10% gemäß offiziellen Spezifikationen und ca. +-6% als Herstellungsziel).

Energieersparnis mit BLDC

Das Ersetzen anderer Motortypen durch einen BLDC Motor kann Energie und somit erhebliche Kosten für den Endverbraucher sparen.

Beispiel: Pumpenanwendung Ersatz eines Spaltpolmotors durch einen BLDC Motor, mit integrierter Antriebsschaltung (im Beispiel auf die Pumpe montiert). Motor-Ausgangsnennleistung 8W @ 2600 U/min Betrieb 8 Stunden/täglich; 365 Tage Stromkostenannahme 0,20 €/kWh Die Stromkosteneinsparung beträgt jährlich ca. 16 €. Obwohl der Spaltpol kein JE-Motor ist, siehe Vgl. zum sehr ähnlichen JE-Motormodell SP61K20:

	Am Nennarbeitspunkt: JE BLDC Motor E9IDS-24 Spannungsversorgung 24 Vdc Effizienz 69% Eingangsleistung [W] 12 Ausgangsleistung [W] 8 Leistungsverlust [W] 4 Stromkosten [€]/jährl. 7 €
	JE Shaded Pole Motor SP61K20 Spannungsversorgung 230 Vac Effizienz 20% Eingangsleistung [W] 40 Ausgangsleistung [W] 8 Leistungsverlust [W] 32 Stromkosten [€]/jährl. € 23

Weitere Vorteile von BLDC

Es gibt noch weitere Vorteile des BLDC Motors im Vergleich zum Spaltpolmotor:

• Hohe Spitzenbelastbarkeit (abhängig vom Spannungsniveau der Spannungsversorgung)
• Geringere Verluste – geringere Wärmeerzeugung (wichtig in verkapselten Geräten)
• Geschlossener Geschwindigkeitskontrollbetrieb möglich – konstante Geschwindigkeit
• Bidirektionaler Betrieb möglich

Nachteile von BLDC

• Höhere BOM Kosten (einschließlich Bordelektronik)
• Es muss eine Gleichstromquelle ergänzt werden (wenn nicht bereits vorhanden)

Gleichstrom-Spannungsversorgung – clevere Lösung

Der BLDC Motor braucht eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung.

Eine clevere Lösung sind elektronische AC/DC Wandler, an Stelle von Trafo- /Gleichrichter-/Kondensatoreinheiten. Der Gesamtpreis ist ungefähr gleich hoch.

AC/DC Wandler funktionieren in einem großen Wechselstromspannungsbereich.

Folglich kann der Antrieb universell für Anwendungen in vielen Ländern konstruiert werden.

Beispiel: Elektronischer AC/DC Wandler

• Nennausgangsleistung 24Vdc/500mA = 12W
• Version mit Gehäuse oder ohne Gehäuse (nur PCB)
• Kosten ca. 4,80 EUR (Version ohne Gehäuse)
• Unbegrenzt kurzschlussfest
• Eingangsspannung 60 ...260Vac
• Geringe Wärmeverluste - nur 0,5W
• Konstante Spannung von 24Vdc für bis zu über 500mA