Wie funktionieren Bürstenmotoren? Kommutator, Bürsten und Drehmomentkurve erklärt

Die kurze Antwort: Der Strom der Spule kehrt sich um, wenn sie sich dreht

A Bürstenmotor verfügt über zwei magnetische Teile und einen Drehschalter. Das Feld ist stationär und wird durch Permanentmagnete im Gehäuse oder durch eine separate Feldwicklung erzeugt. Die Arbeitsspulen sitzen im Anker und sind um einen Eisenkern gewickelt, der an der Welle befestigt ist und sich frei drehen kann.

Durch die Bürsten gelangt Gleichstrom zu diesen Spulen. Jede Bürste drückt gegen den Kommutator, einen Zylinder aus isolierten Kupfersegmenten. Der Strom tritt durch die positive Bürste ein, durchquert das Segment darunter, fließt durch eine Ankerspule und verlässt ihn durch das gegenüberliegende Segment und die Bürste. Da diese Spule nun Strom in einem Magnetfeld transportiert, spürt jede Seite eine Kraft im rechten Winkel zum Feld und zum Strom, und die beiden Kräfte wirken auf gegenüberliegenden Seiten der Welle. Der Anker dreht sich.

Der Haken daran ist, dass eine Spule mit festem Strom in eine Ausrichtung mit dem Feld schwingen und dort anhalten würde. Der Kommutator verhindert dies. Während sich der Anker dreht, gleitet jede Bürste von einem Segment zum nächsten und kehrt den Strom in dieser Spule um, wenn sie die neutrale Ebene kreuzt. Die Polarität der Spule wechselt, sodass die Kraft den Rotor weiterhin in die gleiche Richtung drückt. Für jede Spule erfolgt diese Umkehrung zweimal pro Umdrehung, und der Zeitpunkt wird allein durch die Geometrie bestimmt: Segmentbreite, Bürstenbreite und Bürstenposition.

Was jedes Teil bewirkt und welches Symptom darauf hindeutet

Wenn ein Bürstenmotor zu wenig Leistung bringt, liegt der Fehler normalerweise an einer von fünf Stellen, und jede hinterlässt einen anderen Fingerabdruck.

Die Kontaktfläche ist genauso wichtig wie die Teile selbst. Ein dünner, gleichmäßiger dunkler Film auf dem Kommutator sorgt für eine geringe Lichtbogenbildung; Helles, trockenes Kupfer bedeutet normalerweise, dass die Bürstensorte zu abrasiv ist oder der Motor über längere Zeiträume zu leicht läuft.

Warum sich der Strom zweimal pro Revolution umkehrt

1. Der Versorgungsstrom gelangt durch die positive Bürste in das Kommutatorsegment und berührt es.
2. Dieses Segment leitet den Strom durch eine Ankerspule, die zu einem Elektromagneten mit einem Nord- und einem Südende wird.
3. Sein nördliches Ende wird vom Nordpol des Stators abgestoßen und vom Südpol des Stators angezogen, sodass sich der Anker dreht.
4. Auf der neutralen Ebene überquert die Bürste den isolierten Spalt zwischen den Segmenten und der Strom zu dieser Spule wird kurzzeitig unterbrochen.
5. Das nächste Segment übernimmt und die Stromrichtung durch die Spule wird nun umgekehrt.
6. Die Pole der Spule sind vertauscht, sodass die Kraft weiterhin in die gleiche Drehrichtung drückt, anstatt die Welle abzubremsen.

Ein Bürstenmotor ist ein rotierender Schalter, an dem ein Magnet befestigt ist. Bürstenstaub, Bürstenlebensdauer, Hochfrequenzgeräusche und die praktische Höchstgeschwindigkeit sind allesamt auf diesen Schalter zurückzuführen, ebenso wie der niedrige Preis.

In Schritt vier geht es um den technischen Aufwand. Während der kurzen Unterbrechung versucht die Induktivität der Spule, den Stromfluss aufrechtzuerhalten, und diese Energie muss irgendwohin: ein kleiner Lichtbogen an der Bürstenfläche, ein wenig Hitze oder eine Spannungsspitze, die ein Entstörkondensator absorbiert. Bürstenqualität, Federdruck und Segmentabstand werden so gewählt, dass der Lichtbogen klein genug bleibt, um Tausende von Stunden zu überstehen.

Geschwindigkeit, Drehmoment und Gegen-EMK: Die Zahlen richtig lesen

Eine sich drehende Spule in einem Magnetfeld ist auch ein Generator. Die von ihm erzeugte Spannung ist der Versorgung entgegengesetzt und wird als Gegen-EMF bezeichnet. Sie wächst mit der Geschwindigkeit. Die Arithmetik ist leicht zu erkennen.

Nehmen Sie einen 12-V-Bürstenmotor mit 1,2 Ohm Ankerwiderstand. In dem Moment, in dem sich der Schalter schließt, steht der Rotor still, die Gegen-EMK ist Null und die Wicklung kann etwa 10 A ziehen. Einen Bruchteil einer Sekunde später, bei einer Drehzahl von etwa 3.000 U/min, ist die Gegen-EMK möglicherweise auf etwa 10,5 V angestiegen, so dass am Widerstand nur noch 1,5 V bzw. etwa 1,25 A verbleiben. Startstrom und Betriebsstrom sind unterschiedliche Größen, und eine Versorgung, die allein auf der laufenden Zahl bemessen ist, wird bei jedem Start braun.

• Die Freilaufgeschwindigkeit wird gemessen, ohne dass sich etwas auf der Welle befindet. Bei der auf einer Katalogseite angegebenen Geschwindigkeit handelt es sich in der Regel um den niedrigeren Wert bei Nennlast.
• Toleranzen sind real. Ein Plus- oder Minus-10-Prozent-Fenster bei der Leerlaufdrehzahl ist normal und verändert den Luftstrom, die Stromaufnahme und die Geräuschentwicklung im fertigen Gerät.
• Das Stillstandsdrehmoment ist höchstens für einige Sekunden ein Spitzenwert. Es ist für die Dimensionierung einer Sicherung nützlich, nicht für die Beschreibung des Dauerbetriebs.

Wo Bürstenmotoren im Gerätedesign immer noch gewinnen

Die elektronikfreie Kommutierung bringt eine Reihe spezifischer Vorteile mit sich, die bei kostensensiblen Produkten immer noch von Bedeutung sind:

• Niedrigste Stückkosten pro Watt Wellenleistung, insbesondere zwischen 5 W und 150 W.
• Zuverlässiges Anlaufdrehmoment; Der Motor zieht ohne Steuerung aus dem Stand stark an.
• Geschwindigkeitsregelung mit einer PWM-Stufe, einem Vorwiderstand oder einer variablen Versorgung.
• Richtungswechsel durch Vertauschen zweier Leitungen.
• Anmutiges Verhalten, wenn die Batteriespannung absinkt.

Diese Kombination hält Bürstenmotoren in Desktop-Lüftern, Verdunstungsluftkühlern, kleinen Heizlüftern, Küchenabzugshauben der preiswerten Preisklasse, Wasserpumpen und einer langen Liste von Automobilzubehör bereit.

Gerätehersteller, die Antriebe für die Luftbewegung vergleichen, bewerten in der Regel beide Typen, bevor sie ein Design festlegen. Für Zwangskonvektionskühler und Desktop-Lüfter gibt es beispielsweise jetzt Gleichstrom-Alternativen, die mit variabler Geschwindigkeit laufen.

Bürstenverschleiß, Hitze und elektrischer Lärm: Die ehrlichen Kompromisse

Die Lebensdauer der Bürste ist das erste, was es zu quantifizieren gilt, denn sie bestimmt das Wartungsversprechen, das Sie machen können. Kleine Kohlebürsten in Haushaltsgerätemotoren halten üblicherweise zwischen 500 und 2.000 Betriebsstunden, und die Bandbreite ist aus gutem Grund groß: Ein Motor, der den ganzen Tag startet und stoppt, verschleißt schneller als einer, der kontinuierlich läuft, da ein Großteil des Bürstenverlusts im Startlichtbogen auftritt.

Hitze ist das zweite Problem. Verluste treten im Kupfer, im Eisen und an der Bürstenfläche auf, und der Rotor hat den schlechtesten Weg zur Außenluft. Die eigentliche Grenze für den Dauerbetrieb ist die Klasse der Wicklungsisolation und nicht die Gehäusetemperatur. Elektrisches Rauschen ist das dritte: Jeder Lichtbogen an der Bürstenfläche ist ein kleiner Breitbandsender, weshalb Bürstenmotoren häufig mit bereits eingebauten Entstörkondensatoren oder Drosseln geliefert werden.

Spezifizierung eines Bürstenmotors: Eine praktische Checkliste für den Käufer

Zwei Lieferanten können beide „12 V, 3.000 U/min“ angeben und dennoch Motoren liefern, die sich im selben Gerät unterschiedlich verhalten, da der eine Wert bei Leerlauf und der andere bei einem bestimmten Drehmoment angegeben wird. Erfragen Sie den Ladepunkt schriftlich.

• Nennspannung plus der Bereich, den die Anwendung tatsächlich sieht.
• Leerlaufdrehzahl und Leerlaufstrom.
• Drehzahl, Drehmoment und Strom im vorgesehenen Betriebspunkt.
• Stillstandsdrehmoment, mit einer zeitlichen Begrenzung, wie lange es gehalten werden darf.
• Zielvorgabe für die Bürstenlebensdauer in Stunden bei Ihrem tatsächlichen Arbeitszyklus.
• Kontinuierlicher oder intermittierender Betrieb und erwartete Starts pro Stunde.
• Isolationsklasse und maximale Wicklungstemperatur.
• Die eingebauten Unterdrückungskomponenten und die von ihnen erfüllte Abgasnorm.
• Wellendurchmesser, Länge und Toleranz sowie Flansch- und Schraubenmuster.
• Akustischer Lärm in dB(A) am Lastpunkt, in einem angegebenen Abstand.
• Auf dem Zielmarkt erforderliche Zertifizierungen.

Es hilft auch, mit einem zu arbeiten Lieferant kleiner Elektromotoren die nach Zeichnung oder Muster baut, anstatt nur Katalogartikel zu versenden, denn zwei Millimeter Schaftlänge oder eine andere Bürstensorte machen oft den Unterschied zwischen einem passenden und einem nicht passenden Motor aus. Wie die Kommutator- und Bürstenbaugruppe Wie sich das Verhalten unter realer Belastung verhält, sollte vor der Freigabe einer Zeichnung überprüft werden.

Gebürstet oder bürstenlos: Eine Entscheidung ohne Reue

Die Entscheidung hängt in der Regel vom Arbeitszyklus und den Steuerungsanforderungen ab und nicht von der bloßen Leistung.

Küchenlüftungen zeigen den Wandel deutlich: Dunstabzugshauben laufen über lange und unregelmäßige Zeiträume und werden anhand ihrer Geräuschentwicklung bei niedriger Drehzahl beurteilt, weshalb Gleichstromantriebe mit variabler Drehzahl einen wachsenden Marktanteil einnehmen.