Bürstenmotor vs. bürstenloser Motor: Hauptunterschiede, Leistung und Auswahl

Was also unterscheidet diese beiden Motortypen auf einer grundlegenden Ebene? Ein bürstenbehafteter Motor unterscheidet sich von einem bürstenlosen Motor durch die Art der Kommutierung: mechanisch über Kohlebürsten und einen Kupferkommutator oder elektronisch über eine externe Steuerung und Hall-Effekt-Sensoren. Dieser einzige architektonische Unterschied bestimmt Effizienz, Lebensdauer, Wartungsaufwand und Kosten.

Der erste bürstenlose Gleichstrommotor wurde 1962 von T.G. Wilson und P.H. Trickey entwickelt. Der weltweite Markt für bürstenlose Gleichstrommotoren wurde im Jahr 2024 auf 20.990,5 Mio. USD geschätzt und wird bis 2030 voraussichtlich 30.862,4 Mio. USD erreichen, bei einer CAGR von 6,8%. Ein Servoantrieb - genauer gesagt die elektronische Steuerung, die ein bürstenloser Motor benötigt - regelt Geschwindigkeit, Drehmoment und Position in Echtzeit.

Der eine benutzt Pinsel. Der andere nicht.

Die folgenden Abschnitte befassen sich mit der Funktionsweise der einzelnen Motoren, den wichtigsten Leistungsparametern, den Vorteilen und Einschränkungen der einzelnen Motoren, den Lebenszykluskosten, den bürstenlosen Untertypen und einem Vier-Faktoren-Auswahlsystem.

Wie funktioniert ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor?

Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor wandelt elektrische Energie in drei Betriebsstufen in mechanische Energie um: Stromabgabe, Magnetfelderzeugung und mechanische Kommutierung.

Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor nutzt die mechanische Kommutierung über Kohlebürsten und einen Kommutator, um den Strom ohne externe Steuerung an die Rotorwicklungen zu liefern. Der Motor besteht aus vier Hauptkomponenten: einem Stator mit Permanentmagneten, einem Rotor mit elektromagnetischen Wicklungen, einem Kommutator und Kohlebürsten.

Stellen Sie sich den Kommutator wie einen mechanischen Relaisschalter vor - er wechselt bei jeder halben Umdrehung der Welle die Position und sorgt so dafür, dass der Strom in die richtige Richtung fließt. Für den Betrieb ist nur eine Gleichstromversorgung erforderlich; die Richtungsumkehr erfolgt einfach durch Umdrehen der Polarität. Keine Steuerung erforderlich.

Wie funktioniert ein bürstenloser DC-Motor?

Wenn Sie die Bürsten und den Kommutator entfernen, was bekommen Sie dann an deren Stelle? Ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) wandelt elektrische Energie in vier Betriebsstufen in mechanische Energie um: Erfassung der Rotorposition, elektronische Kommutierung, Erzeugung eines Magnetfelds und Drehung.

Während beim bürstenbehafteten Motor Dauermagnete im Stator und Wicklungen im Rotor untergebracht sind, ist dies beim bürstenlosen Motor umgekehrt: Dauermagnete im Rotor, elektromagnetische Spulen im Stator. Hall-Effekt-Sensoren erfassen die Rotorposition und senden Zeitsignale an eine externe elektronische Steuerung. Die einfachste bürstenlose Antriebstechnik ist die trapezförmige (120-Grad-) Kommutierung, die vollständig in der Elektronik ausgeführt wird.

Kein Regler, kein Motorbetrieb - diese Abhängigkeit ist nicht verhandelbar. Wo der bürstenbehaftete Kommutator ein mechanisches Tor ist, ist der bürstenlose Regler wie ein Fluglotse, der Flugzeuge in präziser Reihenfolge leitet - kein physischer Kontakt, kein Verschleiß.

Wie unterscheiden sich bürstenbehaftete und bürstenlose Motoren in Bezug auf die wichtigsten Parameter?

Zahlen machen den Fall schneller klar als Beschreibungen. Bürstenbehaftete und bürstenlose Motoren unterscheiden sich in acht messbaren Parametern: Wirkungsgrad, Lebensdauer, Drehzahlbereich, Kosten, Geräuschentwicklung, Leistungsdichte, Drehmomentcharakteristik und Wartungsbedarf.

Die Lücke in der Lebenserwartung ist nicht sehr groß. Es lohnt sich, dies gesondert zu erwähnen: “Die Behauptung, bürstenlose Motoren seien leiser, ist nur die halbe Wahrheit - das ist so, als würde man behaupten, Elektroautos seien leise, was bei niedrigen Geschwindigkeiten zutrifft und bei Autobahnfahrten nicht mehr gilt.

Was sind die Vorteile von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren?

Bürstenmotoren werden zu schnell abgetan - diese fünf Vorteile sind real. Hier ist jeder einzelne im Klartext:

1. Weniger Kosten im Voraus. Durch die einfachere Herstellung und den Verzicht auf externe Antriebsschaltungen zahlen Sie nur für den Motor selbst.
2. Betrieb ohne Controller. Schließen Sie den Motor an eine Gleichstromversorgung an, und er läuft - für die Richtungsumkehr ist lediglich eine Umpolung erforderlich.
3. Liefert ein starkes Drehmoment bei niedriger Drehzahl. Bürstenmotoren bieten ein hohes Drehmoment beim Anfahren und können bis zum 5-fachen ihres Nenndrehmoments beim Stillstand liefern.
4. Leichtere Miniaturisierung. Weniger Komponenten ermöglichen kleinere Formfaktoren für Spielzeuge, tragbare Geräte und Konsumgüter mit begrenztem Budget.
5. Geeignet für intermittierende Anwendungen mit geringer Einschaltdauer. Wenn die Gesamtlaufzeit kurz ist - elektrische Sitzmotoren und Autofenstermotoren sind die klassischen Beispiele - wird der Bürstenverschleiß nie zu einem begrenzenden Faktor.

Für Anwendungen mit geringer Beanspruchung ist ein Bürstenmotor wie eine mechanische Uhr für den gelegentlichen Gebrauch: zuverlässig, eigenständig, keine Aufladung erforderlich.

Was sind die Vorteile von bürstenlosen Gleichstrommotoren?

Eliminieren Sie den einen mechanischen Engpass in der Bürstenkonstruktion und Sie erhalten das hier.

1. Erzielen Sie eine höhere Effizienz. Geschlitzte bürstenlose Motoren erreichen einen Wirkungsgrad von ~80%; nutenlose Ausführungen übertreffen 90%, gegenüber ~60% bei bürstenbehafteten Motoren.
2. Halten deutlich länger. Bürstenlose Motoren haben eine Laufzeit von mehr als 10.000 Stunden bei einer Einschaltdauer von 100%; bürstenlose Elektrowerkzeuge halten bei gleicher Akkuladung 30-50% länger.
3. Beseitigen Sie die Wartung von Bürsten. Keine zu prüfenden oder auszutauschenden Bürsten - die Wartung beschränkt sich auf die regelmäßige Schmierung der Lager.
4. Erreichen Sie höhere Geschwindigkeiten. Bürstenlose Motoren erreichen routinemäßig mehr als 10.000 U/min, während bürstenbehaftete Motoren eine praktische Obergrenze von ca. 5.000 U/min erreichen, bevor der elektrische Kontakt durch Bürstenschwimmen beeinträchtigt wird.
5. Liefern eine höhere Leistungsdichte. Die elektronische Schaltung ermöglicht eine höhere Ausgangsleistung pro Volumeneinheit und eine geringere Drehmomentwelligkeit über den gesamten Drehzahlbereich.
6. Überleben in rauen Umgebungen. Gekapselte bürstenlose Konstruktionen erreichen höhere IP-Schutzarten als bürstenbehaftete Motoren, die Lüftungsöffnungen für die Absaugung von Bürstenstaub benötigen.

Der Maßstab ist hier entscheidend. Die IE4-Effizienzstandards des amerikanischen Energieministeriums für 2027 sehen Einsparungen für die Verbraucher in Höhe von 8,8 Mrd. USD und eine CO2-Reduzierung von 92 Mio. Tonnen über 30 Jahre vor. Allein der Markt für bürstenlose Elektrowerkzeuge wird bis 2033 voraussichtlich 25,05 Mrd. USD erreichen.

Was sind die Grenzen der einzelnen Motortypen?

Wenn beide Schwachstellen ignoriert werden, kommt es zu Ausfällen im Feld. Bei bürstenbehafteten Motoren gibt es vier wesentliche Einschränkungen, bei bürstenlosen Motoren ebenfalls vier.

Einschränkungen bei Bürstenmotoren:

1. Nach und nach abnutzen. Kohlebürsten erodieren mit der Zeit; bei hohen Drehzahlen verschlechtert sich der elektrische Kontakt durch das Schweben der Bürsten und der Verschleiß wird beschleunigt.
2. EMI generieren. Lichtbögen zwischen Bürsten und Kommutatoren erzeugen elektromagnetische Störungen, die nahe gelegene Sensoren stören können.
3. Erzeugen Lärm und übermäßige Wärme. Die Reibung der Bürsten verursacht hörbare Geräusche und verringert den Wirkungsgrad bei entsprechender Belastung.
4. Funkenbildung. In Umgebungen mit brennbaren Gasen oder Staub sind Bürstenfunken kein geringes Problem.

Einschränkungen bei bürstenlosen Motoren:

1. Erfordern einen eigenen Controller. Kein bürstenloser Motor funktioniert ohne einen elektronischen Antrieb - das bedeutet zusätzliche Kosten, Systemkomplexität und potenzielle Fehlerquellen.
2. Mehr Kosten im Voraus. Seltene Erdmagnete und die vorgeschriebene Steuerung erhöhen die Anfangsinvestition im Vergleich zu einer Bürstenalternative.
3. Erzeugen ein Spulenheulen bei hohem Strom. Ja, bürstenlose Motoren können laut werden - das Spulenheulen ist das Geräusch des Treibers, der sehr hart arbeitet, und es liegt in einem Frequenzbereich, der sich überträgt.
4. Kann bei hoher Leistung aktive Kühlung erfordern. Das Wärmemanagement muss von Anfang an eingeplant werden, sonst sinkt die Leistung.

Die Lücke zwischen den Anschaffungskosten und den Gesamtbetriebskosten ist der Punkt, an dem Sie bei der Wahl des Motors den größten Nutzen erzielen oder verlieren.

Was ist der Unterschied zwischen den Lebenszykluskosten von bürstenbehafteten und bürstenlosen Motoren?

Der Anschaffungspreis ist fast nie die richtige Zahl für einen Vergleich zwischen diesen Motoren. Die Wahl eines Bürstenmotors für eine 24/7-Industriepumpe, weil er weniger kostet, ist wie die Wahl eines billigeren Reifens für einen Langstrecken-LKW - die Kosten pro Kilometer sagen etwas ganz anderes.

Bei einer Belastung von 100% hält ein bürstenbehafteter Motor ~3.000 Stunden, ein bürstenloser Motor mehr als 10.000 Stunden. Das ist der Unterschied zwischen einem Produkt, das eine Saison lang hält, und einem, das ein Jahrzehnt lang hält - und für die Berechnung braucht man keine Tabellenkalkulation. Bürstenlose Motoren wachsen mit einem CAGR von 6,8-8,1% gegenüber 3,37% für bürstenbehaftete Motoren; energieeffiziente Motoren kosten im Vorfeld ~20% mehr, machen diesen Aufschlag aber durch Betriebseinsparungen wieder wett.

Wenn Sie sich aus wirtschaftlichen Gründen für den bürstenlosen Antrieb entschieden haben, stellt sich die Frage, welche Variante für Ihre Anwendung geeignet ist.

Welche Arten von bürstenlosen Motoren gibt es?

Die Entscheidung für einen bürstenlosen Motor ist nur die erste Entscheidung. Drei Klassifizierungsachsen unterscheiden bürstenlose Designs voneinander: Statorbauweise (geschlitzt vs. nutenlos), Rotorkonfiguration (Einläufer vs. Ausläufer) und Wicklungstyp (Eisenkern vs. kernlos/eisenlos) - und sie sind nicht austauschbar.

Geschlitzter vs. ungeschlitzter Stator

Bei einem geschlitzten Stator wird der Draht um die Statorzähne gewickelt, was für mechanische Steifigkeit und einen Wirkungsgrad von ~80% sorgt. Bei einem schlitzlosen Stator entfallen die Zähne, wodurch mehr Kupfer pro Volumeneinheit untergebracht wird und der Wirkungsgrad auf über 90% steigt.

Brushless-Motoren mit Innenläufer vs. Außenläufer

Ein Innenläufer positioniert den Rotor zur Kühlung und zum Schutz in der Mitte - Standard für den industriellen Hochgeschwindigkeitseinsatz. Ein Außenläufer wickelt den Rotor außen ein, um ein höheres Drehmoment pro Rahmengröße zu erzielen, was für Drohnen und RC-Flugzeuge bevorzugt wird.

Kernlose (eisenlose) bürstenlose Motoren

Ein kernloser bürstenloser Motor hat kein Eisen im Rotor, wodurch das Rastmoment auf Null sinkt und der Wirkungsgrad bis zu 90% beträgt. Wenn man alles Unwichtige weglässt, bleibt das übrig - ein Design, das für Präzisionsservosysteme, medizinische Geräte und haptische Feedback-Mechanismen spezifiziert ist, bei denen Laufruhe bei niedriger Geschwindigkeit Priorität hat.

Das Verständnis der bürstenlosen Untertypen erleichtert die Auswahlentscheidung - “bürstenloser Motor” ist keine einzelne Spezifikation, sondern eine Familie von Designs, die jeweils für unterschiedliche Prioritäten optimiert sind.

Welchen Motor sollten Sie für Ihre Anwendung wählen?

Die Frage bürstenbehaftet vs. bürstenlos macht nur Sinn, wenn sie auf eine bestimmte Anwendung bezogen ist. Einen Motortyp auszuwählen, ohne die Einschaltdauer zu kennen, ist so, als würde man ein Hotel buchen, ohne zu wissen, wie viele Nächte man dort verbringen wird - der Preis pro Nacht bedeutet nichts ohne diesen Kontext.

Die Einschaltdauer entscheidet.

1. Einschaltdauer - der wichtigste Faktor. Niedrige Einschaltdauer, intermittierender Betrieb: bürstenbehaftet. Dauerbetrieb oder hohe Einschaltdauer: bürstenlos. Das Argument der Lebenszykluskosten kippt ab etwa 2.000-3.000 Betriebsstunden pro Jahr.
2. Anforderung an die Geschwindigkeit. Anwendungen mit mehr als 5.000 U/min erfordern bürstenlose Motoren, da Bürstenmotoren an dieser Schwelle aufgrund von Bürstenschwimmen schnell abbauen.
3. Budget für Kontrollkomplexität. Wenn eine einfache Gleichstromversorgung Ihr gesamtes Steuerungssystem darstellt, ist ein bürstenbehafteter Motor die beste Wahl. Für eine präzise Drehzahlregelung oder eine geschlossene Rückkopplung ist ein bürstenloser Motor mit einem Servoantrieb die richtige Lösung.
4. Betriebsumgebung. Entflammbare Gase, Dämpfe oder Stäube: bürstenlos ist Pflicht - Bürstenfunken stellen eine direkte Zündgefahr dar. Gehäuse mit hohem IP-Schutzgrad, starke Vibrationen oder extreme Temperaturen sprechen ebenfalls für bürstenlose Geräte.

Welche Rolle spielt ein Servoantrieb bei der Steuerung bürstenloser Motoren?

Jeder bürstenlose Motor braucht ein Gehirn - und das hat der Servoantrieb kommt ins Spiel. Er wandelt einen Gleichstromeingang in den sequenziellen Dreiphasenausgang um, den der Motor benötigt, und verwaltet Geschwindigkeit, Richtung, Drehmoment und Position in Echtzeit über Hall-Effekt-Sensor-Feedback oder Rück-EMF-Erkennung für sensorlose Designs.

“Die Abstimmung des Motors auf den richtigen Antrieb ist genauso wichtig wie die Entscheidung zwischen bürstenbehaftet und bürstenlos - der Antrieb bestimmt, was der Motor in Ihrem System tatsächlich leisten kann.” - AMC-Technik-Team

Bei AMC stellen wir her Servoantriebs-Produkte über mehrere Formfaktoren - FlexPro®, DigiFlex® Performance™, AxCent™ und Vehicle Mount M/V™ -, so dass Sie den für Ihre Anwendung geeigneten Motortyp spezifizieren und gleichzeitig auf eine einzige Steuerungsplattform standardisieren können.

Einen detaillierten Überblick über die Auswahl von Servoantrieben für bürstenlose Motoranwendungen finden Sie in unserem Leitfaden zur Auswahl von Servoantrieben unter advancedmotioncontrols.com.

Abschließende Gedanken

Beide Motortypen sind eine legitime Wahl für Ingenieure. Vier Variablen entscheiden über die Wahl: Einschaltdauer, erforderliche Geschwindigkeit, Komplexität der Steuerung und Betriebsumgebung.

Wenn Sie einen bürstenlosen Motor für die industrielle Automatisierung, die Robotik oder eine mobile Plattform spezifizieren, besteht der nächste Schritt darin, ihn mit dem richtigen Servoantrieb zu kombinieren. Erkunden Sie das AMC-Antriebssortiment unter advancedmotioncontrols.com oder kontaktieren Sie das AMC-Technikteam.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen der Kommutierung von bürstenlosen Motoren mit und ohne Sensoren?

Bei der sensorgesteuerten Kommutierung werden Hall-Effekt-Sensoren verwendet, um die Rotorposition bei allen Drehzahlen einschließlich des Anlaufs zu erfassen. Die sensorlose Kommutierung erfasst stattdessen die Gegen-EMK, hat aber eine tote Zone in der Nähe der Null-Drehzahl, was sie für Anwendungen ungeeignet macht, die ein kontrolliertes Anfahrdrehmoment aus dem Stillstand erfordern.

Sind bürstenlose Motoren immer besser als Bürstenmotoren?

Nein - bürstenlose Motoren sind bürstenbehafteten Motoren bei Dauerbetrieb, hohen Geschwindigkeiten und Präzisionsanwendungen überlegen, aber bürstenbehaftete Motoren sind die praktischere Wahl für intermittierende, kostengünstige oder einfach zu steuernde Anwendungen. Wenn die Gesamtlaufzeit gering ist, wird der Bürstenverschleiß nie zu einer Einschränkung und die niedrigeren Anschaffungskosten gewinnen.

Halten bürstenlose Motoren länger als Bürstenmotoren?

Ja - bürstenlose Motoren haben in der Regel eine Laufzeit von mehr als 10.000 Stunden bei einer Einschaltdauer von 100%, während bürstenbehaftete Motoren unter den gleichen Bedingungen etwa 3.000 Stunden benötigen. Bürstenlose Motoren fallen nur durch Lagerverschleiß aus - dieser ist vorhersehbar und entwickelt sich langsamer als die fortschreitende Erosion von Bürsten und Kommutatoren.

Was sind die größten Nachteile von bürstenlosen Motoren?

Bürstenlose Motoren haben drei Hauptnachteile: höhere Anschaffungskosten, obligatorischer elektronischer Regler und kompliziertere Reparaturen bei Reglerfehlern. Ein sekundärer Nachteil in geräuschempfindlichen Umgebungen ist das Spulengeräusch des Treibers.

Was würde passieren, wenn ein bürstenbehafteter Motor kontinuierlich mit hoher Einschaltdauer ohne Bürstenwartung läuft?

Ohne Bürstenwartung verschleißen die Kohlebürsten bis zur Kontaktlosigkeit, was zu Stromunterbrechungen und Lichtbogenschäden an den Kommutatorstäben führt. Wenn sich die Bürstenlänge verkürzt, sinkt der Federdruck, der elektrische Kontakt wird schwächer und die Kupfererosion beschleunigt sich - eine kaskadenartige Verschlechterung, die lange vor dem Stillstand des Motors beginnt.