Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) sind aufgrund ihrer hohen Effizienz, Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer in vielen Anwendungen unverzichtbar geworden. Da BLDC-Motoren eine elektronische Kommutierung anstelle von physischen Bürsten verwenden, unterliegen sie weniger Verschleiß als ihre Gegenstücke mit Bürsten. Ein wichtiger Aspekt von BLDC-Motoren ist ihre Geschwindigkeit, die für Anwendungen wie Drohnen, industrielle Automatisierung und Elektrofahrzeuge von entscheidender Bedeutung ist.
Motordesign und -konfiguration
Die Geschwindigkeit eines BLDC-Motors hängt im Wesentlichen von seinem Design ab. Mehrere Designelemente wie die Anzahl der Pole, das Wicklungslayout und die Rotorstruktur wirken sich direkt auf seine Geschwindigkeit aus.
Anzahl der Pole
Die Drehzahl des Motors wird durch die Anzahl seiner Pole beeinflusst. Im Allgemeinen arbeiten Motoren mit weniger Polen bei höheren Drehzahlen, während Motoren mit mehr Polen bei niedrigeren Drehzahlen ein höheres Drehmoment bieten.
| Anzahl der Pole | Geschwindigkeit (U/min) | Drehmoment (Nm) |
| 2 | 10,000 | 0.5 |
| 4 | 5,000 | 1.0 |
| 6 | 3,000 | 1.5 |
| 8 | 2,000 | 2.0 |
Wie aus der Tabelle hervorgeht, kann ein Motor mit weniger Polen eine höhere Drehzahl (U/min) erreichen, das Drehmoment nimmt jedoch mit der Zahl der Pole zu.
Wicklungskonfiguration
Die Wicklungsanordnung bestimmt auch die Motordrehzahl. Bei BLDC-Motoren gibt es normalerweise zwei Wicklungskonfigurationen: Stern (Y) und Dreieck (Δ).
- Die Sternkonfiguration (Y) bietet ein höheres Drehmoment, arbeitet aber bei niedrigeren Drehzahlen.
- Die Deltakonfiguration (Δ) hingegen ermöglicht eine höhere Drehzahl, bietet aber ein geringeres Drehmoment.
| Wicklungskonfiguration | Geschwindigkeit (U/min) | Drehmoment (Nm) |
| Stern (Y) | 3,000 | 1.5 |
| Delta (Δ) | 4,500 | 1.0 |
Die Delta-Konfiguration ermöglicht einen Betrieb des Motors mit höherer Drehzahl, allerdings geht dabei etwas Drehmoment verloren.
Versorgungsspannung
Einer der entscheidendsten Faktoren, die die Drehzahl eines BLDC-Motors beeinflussen, ist die Versorgungsspannung. Die grundlegende Drehzahlgleichung besagt, dass die Versorgungsspannung und die Motordrehzahl proportional sind.
Drehzahl (U/min)∝Spannung (V)
Eine Erhöhung der Versorgungsspannung erhöht die Motordrehzahl, vorausgesetzt, alle anderen Bedingungen bleiben konstant. Allerdings gibt es diesbezüglich Einschränkungen, da eine hohe Spannung zu Motorschäden oder Überhitzung führen kann.
| Spannung (V) | Geschwindigkeit (U/min) | Strom (A) |
| 12 | 3,000 | 2.5 |
| 24 | 6,000 | 3.0 |
| 36 | 9,000 | 3.5 |
| 48 | 12,000 | 4.0 |
Wie aus der Tabelle hervorgeht, führt eine Verdoppelung der Spannung nahezu zu einer Verdoppelung der Drehzahl, wodurch die Spannung zu einem direkten Steuerfaktor für die Motordrehzahl wird.
Controllereinstellungen und elektronische Geschwindigkeitsregelung (ESC)
BLDC-Motoren benötigen einen externen elektronischen Drehzahlregler (ESC) zur Kommutierung und Drehzahlregelung. Die Spannung und der Strom des Motors werden vom ESC verwaltet, der auch die Motordrehzahl ändert. Mehrere Parameter im ESC können die Motordrehzahl beeinflussen:
- Arbeitszyklus: Der ESC moduliert die Versorgungsspannung durch Pulsweitenmodulation (PWM) und der Arbeitszyklus bestimmt, wie lange die Spannung innerhalb jedes Zyklus angelegt wird.
- PWM-Frequenz: PWM-Signale mit höherer Frequenz führen zu einer gleichmäßigeren Geschwindigkeitsregelung und höheren effektiven Motordrehzahlen.
| Arbeitszyklus (%) | Effektive Spannung (V) | Geschwindigkeit (U/min) |
| 25 | 12 | 3,000 |
| 50 | 24 | 6,000 |
| 75 | 36 | 9,000 |
| 100 | 48 | 12,000 |
Mit zunehmender Einschaltdauer erhöht sich die am Motor anliegende Effektivspannung, was zu einer Erhöhung der Motordrehzahl führt.
Last- und Drehmomentanforderungen
Ein weiterer kritischer Faktor, der die Geschwindigkeit eines BLDC-Motors beeinflusst, ist die Last, die er antreibt. Die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Last ist umgekehrt proportional: Wenn die Last zunimmt, nimmt die Geschwindigkeit ab.
Drehzahl-Drehmoment-Kurve
Bei BLDC-Motoren veranschaulicht die Drehzahl-Drehmoment-Kurve die Beziehung zwischen diesen beiden Variablen. Die Motordrehzahl sinkt, wenn die Last (das Drehmoment) steigt. Der Innenwiderstand des Motors und die vom Rotor erzeugte umgekehrte elektromotorische Kraft (EMK) sind dafür verantwortlich.
| Drehmoment (Nm) | Geschwindigkeit (U/min) |
| 0.5 | 10,000 |
| 1.0 | 8,000 |
| 1.5 | 6,000 |
| 2.0 | 4,000 |
| 2.5 | 2,000 |
Die Daten zeigen deutlich, dass die Motordrehzahl mit zunehmendem Drehmoment proportional abnimmt. In realen Anwendungen ist es wichtig, basierend auf den Lastbedingungen ein Gleichgewicht zwischen Drehzahl- und Drehmomentanforderungen zu finden.
Temperatur
Auch die Betriebstemperatur eines BLDC-Motors kann dessen Drehzahl beeinflussen. Motoren verlieren bei höheren Temperaturen an Effizienz, da der Widerstand in den Wicklungen und anderen Komponenten zunimmt, was die Drehzahl verringern kann.
Temperatur-Geschwindigkeits-Beziehung
Mit zunehmender Temperatur erhöht sich der Widerstand der Wicklungen, was zu einem Spannungsabfall führt, der die verfügbare Geschwindigkeit begrenzt.
| Temperatur (°C) | Geschwindigkeit (U/min) | Strom (A) |
| 25 | 10,000 | 4.0 |
| 50 | 9,000 | 4.2 |
| 75 | 8,000 | 4.5 |
| 100 | 6,000 | 4.8 |
Die Tabelle zeigt, wie ein Temperaturanstieg die Motordrehzahl allmählich reduziert. Um maximale Drehzahl und Effizienz zu gewährleisten, ist es wichtig, geeignete Kühlsysteme zu verwenden oder eine Überlastung des Motors zu vermeiden.
Gegen-EMK
Die Gegenelektromotorische Kraft (Gegen-EMK) ist die Spannung, die im Motor erzeugt wird, wenn er sich dreht. Die Stärke dieser EMK, die der Versorgungsspannung entgegengerichtet ist, wird durch die Motordrehzahl bestimmt. Je schneller sich der Motor dreht, desto höher ist die Gegen-EMK, was die effektive Spannung verringert, die zum Antrieb des Motors zur Verfügung steht. Die Gegen-EMK-Konstante KeK_eKe stellt die Spannung dar, die pro Drehzahleinheit erzeugt wird, ausgedrückt in V/U/min. Die Gegen-EMK-Gleichung lautet:
Vemf=Ke×Geschwindigkeit (U/min)
Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen muss die Gegen-EMK minimiert werden, um übermäßige Spannungsverluste zu vermeiden. Daher sind Motoren mit niedrigen Gegen-EMK-Konstanten zu bevorzugen.
Mechanische Einschränkungen
Schließlich können auch mechanische Faktoren wie Reibung, Lagerzustand und Gesamtträgheit des Systems die Motordrehzahl beeinflussen. Gut geschmierte Lager und Umgebungen mit geringer Reibung ermöglichen es dem Motor, unter Last höhere Drehzahlen beizubehalten. Umgekehrt können verschlissene Lager oder Umgebungen mit hoher Reibung die Motordrehzahl drastisch reduzieren.
Abschluss
Die Drehzahl eines BLDC-Motors hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Motordesign, Versorgungsspannung, Belastung, Temperatur und die Eigenschaften des Controllers. Als Hersteller bürstenloser Gleichstrommotoren können Benutzer die Leistung des Motors für bestimmte Anwendungen effizient regulieren und verbessern, indem sie sich dieser Abhängigkeiten bewusst sind.