Umfang
Bürstenlose Servomotoren umfassen eine breite Palette von Motortypen, darunter sowohl bürstenlose Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten als auch bürstenlose Wechselstrommotoren mit Permanentmagneten. Sie können auch für Dreh- oder Linearbewegung ausgelegt werden. Unabhängig von den verschiedenen Typen haben sie einige Gemeinsamkeiten: Sie verwenden Permanentmagnete und sie sind Drehstrommotoren.
Konstruktion
Bürstenlose Servomotoren ersetzen den mechanischen Kommutator von Bürstenmotoren durch elektronische Kommutierung. Bei bürstenlosen Servomotoren fungiert der Permanentmagnet als Rotor (rotierende Komponente) und nicht die feststehenden Spulen. Die Drehung des Servomotors wird erreicht, indem die Größe und Richtung des Stroms in jedem Spulensatz individuell geändert wird, wodurch die Richtung der von den stationären Spulen erzeugten Magnetfelder geändert wird. Es gibt typischerweise drei Spulensätze in einem bürstenlosen Servomotor, jeder Spulensatz wird einzeln in einer bestimmten Reihenfolge erregt, die eine Reihe von elektromagnetischen Kräften erzeugt, um den Rotor in Bewegung zu halten. Dies erfordert 3 Stromkabel, um jeden Spulensatz mit Strom zu versorgen. Da die Spulen fixiert sind, können sie einfach direkt elektrisch angeschlossen werden, wodurch mechanische Kommutatoren und Bürsten überflüssig werden. Das Fehlen von Bürsten und Kommutatoren im bürstenlosen Motor macht dieses Gerät sehr langlebig, da die Bürsten und Kommutatoren in Bürstenmotoren aufgrund des sich ständig bewegenden Kontakts verschleißanfällig sind.
Da sie keine mechanischen Kommutatoren haben, benötigen bürstenlose Servomotoren elektronische Kommutierungs- und Rückkopplungsgeräte, um die Drehzahl des Motors zu steuern. Die elektronische Kommutierung hat im Vergleich zur mechanischen Kommutierung eine höhere Effizienz, hohe Energieeinsparungen und eine bessere Steuerung. Aufgrund des Mangels an mechanischen Kommutatoren benötigen die meisten bürstenlosen Servomotoren jedoch Feedback-Geräte, um das Motordrehmoment und die Motorposition genau zu steuern.
Je nach wirtschaftlichen Randbedingungen und bevorzugter Motorpräzision gibt es unterschiedliche Möglichkeiten hinsichtlich Rückkopplung und Kommutierung. Dies ermöglicht es den Verbrauchern, ihre bevorzugten Rückkopplungsstufen und die Art der elektronischen Kommutierung passend zu ihrer Anwendung auszuwählen. Hall-Sensoren und Encoder sind das Feedback der Wahl für bürstenlose Servomotoren, beide Geräte können separat oder zusammen verwendet werden, um die bevorzugte Art der Kommutierung zu nutzen. Hallsensoren allein können nur trapezförmig kommutieren, während Encoder allein nur sinusförmig kommutieren können. Die gemeinsame Verwendung von Hallsensoren und Encodern ermöglicht die Verwendung von entweder sinusförmiger oder trapezförmiger Kommutierung. Trapezkommutierung ist Standard bei bürstenlosen Servomotoren, da sie einfach zu implementieren ist und sich hervorragend für die Bereitstellung eines maximalen Drehmoments eignet. Obwohl die trapezförmige Kommutierung für die meisten Anwendungen bevorzugt wird, ist die sinusförmige Kommutierung mit bürstenlosen Servomotoren hilfreich für Anwendungen, bei denen hörbare und mechanische Geräusche extrem niedrig sein müssen.
Sensorloses Feedback ist eine neuere Innovation in der bürstenlosen DC-Servomotortechnologie, bei der die Motorposition aus der Gegen-EMK des Motors bestimmt wird. Die sensorlose Rückführung kann entweder mit trapezförmiger oder sinusförmiger Kommutierung arbeiten, jedoch wird die sinusförmige Kommutierung für empfindlichere Anwendungen bevorzugt, da sie weniger anfällig für Drehmomentwelligkeit ist. Da die sensorlose Rückführung erfordert, dass der Motor basierend auf seiner eigenen internen Rückführung läuft, ist die sensorlose Rückführung am effektivsten, wenn die Last des Motors statisch ist. Beispielsweise sind Drohnen zu einer gängigen Anwendung von sensorlosem Feedback in bürstenlosen DC-Servomotoren geworden, da sich die Last nicht wesentlich ändert, während sich die Drohne bewegt, und das Fehlen von Feedback-Geräten es ermöglicht, dass sie leichter ist.
Geschichte
Bürstenlose Gleichstrommotoren entstanden zu Beginn der digitalen Revolution in den 60er Jahren, als wir von der mechanischen und analogen elektronischen Technologie zur digitalen Elektronik übergingen. Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren erwiesen sich als unzureichend, um intensiveren Anwendungsanforderungen standzuhalten, da sich Bürsten und Kommutatoren so schnell abnutzen, sodass der bürstenlose Gleichstrommotor geboren wurde. Die Verfügbarkeit von Festkörper-Leistungshalbleitern wie MOSFETs machte den bürstenlosen Gleichstrommotor als erste Gleichstrommaschine mit Festkörperkommutierung möglich. Der Nachteil der frühen bürstenlosen Gleichstrommotoren war, dass sie nicht viel Leistung erzeugen konnten. Als in den 1980er Jahren stärkere Permanentmagnetmaterialien verfügbar wurden, konnten bürstenlose Motoren genauso viel oder sogar mehr Leistung erzeugen als ihre Gegenstücke mit Bürsten.
Zukünftige Innovationen
Die heutigen bürstenlosen Motoren überwinden viele der Einschränkungen von Bürstenmotoren, da sie eine höhere Ausgangsleistung, eine kleinere Größe, einen besseren Wirkungsgrad, eine längere Lebensdauer und ein sehr geringes elektrisches Rauschen haben. Diese Vorteile sind auch mit Nachteilen verbunden, da bürstenlose Motoren Rückkopplungsgeräte und eine Motorantriebssteuerung für die elektronische Kommutierung benötigen und tendenziell teurer sind als Bürstenmotoren. Neue Fortschritte in der bürstenlosen Gleichstrommotortechnologie haben jedoch sensorlose Motorantriebe ermöglicht, die diese Motoren erschwinglicher machen werden. Bei der sensorlosen Steuerungstechnologie wird die Position des Rotors bestimmt, indem die Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) von einer der Klemmenspannungen des Motors erfasst wird, wodurch Hall-Sensoren und Encoder überflüssig werden. Die sensorlose Steuerung wird es auch ermöglichen, dass bürstenlose Gleichstrommotoren aufgrund der geringeren Anzahl von Komponenten kleiner, zuverlässiger und langlebiger sind.
Eine weitere Innovation, die sich bald im Design von bürstenlosen DC-Motoren durchsetzen wird, ist die Integration von bürstenlosen DC-Motoren und Antriebselektronik in einem einzigen Paket, um ein einfacheres System zu schaffen. Da die Effizienz elektronischer Komponenten zunimmt, wird die Leistungselektronik immer kleiner, wodurch integrierten bürstenlosen Gleichstrommotorantrieben eine Schlüsselrolle bei technologischen Innovationen zukommt
Verwendung/Anwendungen
Aufgrund ihrer Effizienz und Langlebigkeit werden bürstenlose DC-Servomotoren häufig in Geräten eingesetzt, die kontinuierlich laufen, wie Haushaltsgeräte und andere Unterhaltungselektronik. Für industrielle Anwendungen sind bürstenlose Gleichstrommotoren aufgrund ihrer zuverlässigen und präzisen Bewegungssteuerungsfähigkeiten eine beliebte Wahl in Linearmotoren, Servomotoren, Extruderantriebsmotoren und Vorschubantrieben für CNC-Werkzeugmaschinen. Bürstenlose DC-Servomotoren sind auch der Motor der Wahl für Drohnen geworden, weil sie viel Leistung liefern und gleichzeitig eine geringe Größe und ein geringes Gewicht beibehalten. Es wird erwartet, dass die Anwendungen von bürstenlosen DC-Servomotoren in Zukunft weiter zunehmen werden. Da diese Motoren erschwinglicher werden, ist es wahrscheinlich, dass sie bürstenbehaftete DC-Servomotoren vollständig ersetzen werden.
Leistungen
- Hohe Leistungsdichte
- Hervorragende Wärmeableitung
- Weniger Wartung als Bürstenmotoren und längere Lebensdauer
- Die elektronische Kommutierung ermöglicht eine genauere Steuerung und erhöhte Energieeinsparungen
- Reduzierte Betriebs- und mechanische Geräusche im Vergleich zu DC-Bürstenmotoren
- Kleiner und leichter als DC-Bürstenmotoren
ADVANCED Funktionen der Bewegungssteuerung
- Die meisten handelsüblichen Servoantriebe arbeiten mit bürstenlosen Motoren und umfassen eine Vielzahl von Feedback- und Leistungsoptionen
- Bürstenlose Motoren können schwieriger zu konfigurieren sein, aber digitale Servoantriebe vereinfachen den Prozess mit Funktionen wie AutoCommutation erheblich
