Bürstenlose DC-Motoren (BLDC) Technik − kurz und bündig
Die BLDC-Motoren Motoren von maxon überzeugen durch hohe Lebensdauer bei wartungsfreiem Betrieb. Je nach Ausfüh- rung sind eine hohe Drehmomentdichte oder ein extrem grosser Drehzahlbereich bis zu 120 000 min-¹ verfügbar. Viele Reihen sind online konfigurierbar und in sterilisierbaren Ausführungen erhältlich. Für den Betrieb benötigen bürstenlose Gleichstrom- motoren eine Kommutierungselektronik, die in den Motor-Steuerungen integriert ist.
Lagerung und Lebensdauer Die hohe Lebensdauer des bürstenlosen Designs wird mit vorgespannten Kugel- lagern erreicht. Die Lagerung ist auf meh- rere 10 000 Stunden ausgelegt. Die Lebensdauer wird beeinflusst durch maximale Drehzahl, Restunwucht und Lagerbelastung. Beschaltung der Hall-Sensoren Der Open-Collector-Ausgang der Hall- Sensoren hat in der Regel keinen eige- nen Pull-up-Widerstand, da dieser in den maxon Steuerungen integriert ist. Aus- nahmen werden in den entsprechenden Motordatenblättern ausdrücklich erwähnt. Schaltbild für Hall-Sensor Speisung Hall-Sensor
Drehmoment umgekehrt proportional um den Faktor 3. Für die Auswahl des Motors spielt die Wicklungsbeschaltung keine ausschlag- gebende Rolle. Wichtig ist, dass die motorspezifischen Parameter (Drehzahl- konstante und Drehmomentkonstante) den Anforderungen entsprechen.
sechs verschiedenen Leitphasen bestromt. Strom- und Spannungsverlauf sind block- förmig. Die Schaltlage jeder elektronischen Kommutierung liegt um 30° versetzt zum je- weiligen Drehmoment-Scheitelpunkt. Eigenschaften der Blockkommutirung – Einfachere Elektronik – Kein Encoder nötig – Drehmomentrippel von 14% – Kontrollierter Anlauf mit hohen Anlaufmomenten und Beschleunigungen möglich – Servoantriebe, Start-Stopp-Betrieb – Positionieraufgaben – Die Daten der maxon EC-Motoren werden mit Blockkommutierung ermittelt Sensorlose Blockkommutierung Die Rotorlage wird über den Verlauf der in- duzierten Spannung erschlossen. Die Elek- tronik wertet den Nulldurchgang der indu- zierten Spannung aus und kommutiert nach einer drehzahlabhängigen Pause den Mo- torstrom (30°e nach dem Nulldurchgang). Im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen ist das Spannungs-Signal zu klein und der Null- durchgang kann nicht oder nur ungenau de- tektiert werden. Deshalb werden spezielle Algorithmen für den Anlauf benötigt. Eigenschaften der sensorlosen Kommutierung – Drehmomentrippel von 14% (Blockkommutierung) – Kein definierter Anlauf – Nicht geeignet für kleine Drehzahlen und für dynamische Anwendungen – Dauerbetrieb bei höheren Drehzahlen (Ventilatoren, Fräser, Bohrer)
Stern-Schaltung Dreieck-Schaltung
W 1
W 1
U 1-2
U 3-1
U 1-2
U 3-1
W 2
W 2
W 3
W 3
U 2-3
U 2-3
Weitere Ergänzungen siehe Seite 190 oder im Buch «Auslegung von hochpräzisen Kleinstantrieben» von Dr. Urs Kafader.
Elektronische Kommutierung
R Pull-up
Regelung
Ausgang Hall-Sensor
Die drei Phasen der BLDC-Motoren werden aufgrund der Rotorlage bestromt. Die Rotor- lage wird über Hallsensoren, Encoder oder andere Feedback-Sensoren bestimmt. Sinuskommutierung Die Kommutierungselektronik erzeugt sinusförmige Motorströme in den drei Teil- wicklungen, die jeweils um 120° phasenver- schoben sind. Sinuskommutierung oder feldorientierte Re- gelung (FOC) ergibt den sehr weichen, präzi- sen Lauf des Motors und eine sehr genaue, hochwertige Regelung. Eigenschaften der Sinuskommutierung – Feldorientierte Regelung (FOC) – Benötigt neben den Hallsensoren meist zusätzlich einen Encoder als Feedbacksensor mit höherer Auflösung – Kein Drehmomentrippel – Sehr gute Gleichlaufeigenschaften auch bei kleinsten Drehzahlen – Ca. 5% höheres Dauerdrehmoment als bei Blockkommutierung – Hochdynamische Servoantriebe – Positionieraufgaben Blockkommutierung mit Hall-Sensren Die Rückmeldung der Rotorlage erfolgt durch drei im Motor eingebaute Hall-Sen- soren, die pro magnetischem Pol paar sechs verschiedene Schaltkombinatio- nen liefern. Die drei Teilwicklungen werden entsprechend den Sensorinformationen in
Gnd
Der Stromverbrauch eines Hall-Sensors beträgt typ. 4 mA (bei Ausgang Hall-Sensor = «HI»). Wicklung Auswirkungen von Drahtquerschnitt und Windungszahl sind: Kleiner Anschlusswiderstand – Niederohmige Wicklung – Dicker Draht, wenig Windungen – Hohe Anlaufströme – Spezifisch schnell drehender Motor (Drehzahl pro Volt) Hoher Anschlusswiderstand – Hochohmige Wicklung – Dünner Draht, viele Windungen – Niedrige Anlaufströme – Spezifisch langsam drehender Motor (Drehzahl pro Volt) Die maximal zulässige Wicklungstempera- tur beträgt bei hochtemperaturfester Aus- führung 125 °C oder 155 °C, sonst 100 °C oder 85 °C. Die drei Teilwicklungen der BLDC-Moto- ren können auf zwei verschiedene Arten − «Stern» oder «Dreieck» − beschaltet wer- den. Dadurch verändern sich Drehzahl und
Ströme in Sinus- und Blockkommutierung
sinusförmige Phasenströme
blockförmige Phasenströme
300° 0°
60° 120° 180° 240° 300° Drehwinkel
maxon 73
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