Wenn Sie den optimalen Motor für Ihr Projekt in Betracht ziehen, kann die Wahl zwischen einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor und einem bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) erhebliche Auswirkungen auf Leistung, Kosten und Lebensdauer haben. Beide Motortypen haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile, und das Verständnis ihrer wichtigsten Unterschiede ist entscheidend für die Auswahl der am besten geeigneten Option. Dieser Artikel befasst sich mit den wichtigsten Unterschieden zwischen bürstenbehafteten und bürstenlosen Gleichstrommotoren, wobei er sich auf Design, Effizienz, Wartung, Kosten und Anwendungsbereiche konzentriert, und bietet datengestützte Vergleiche.

Gleichstrommotoren mit Bürsten

Das Ampèresche Gesetz und das Gesetz der elektromagnetischen Induktion bilden die Grundlage für den Betrieb des bürstenbehafteten Gleichstrommotors. Der Motor enthält Komponenten wie Stator, Rotor, Bürsten und Kommutator. Wenn die Gleichstromversorgung den Motor über die Bürsten mit Strom versorgt, erzeugt der Stator ein stationäres Magnetfeld, während der Rotor über die Bürsten und den Kommutator mit der Stromversorgung verbunden ist, um ein rotierendes Magnetfeld zu bilden. Der Motor dreht sich aufgrund des elektromagnetischen Drehmoments, das durch die Wechselwirkung zwischen diesem rotierenden Magnetfeld und dem Statormagnetfeld erzeugt wird. Während des Motorbetriebs gleiten die Bürsten auf dem Kommutator, um eine Stromkommutierung zu erreichen und den Motor kontinuierlich rotieren zu lassen.

Hauptmerkmale:

• Bürsten: Bürstenmotoren enthalten physische Bürsten, die mit dem Kommutator in Kontakt kommen und elektrische Pfade erzeugen.
• Kommutator: Dies ist ein mechanischer Schalter, der die Stromrichtung der Motorwicklungen umkehrt.
• Wicklungsplatzierung: Die Wicklungen befinden sich auf dem Rotor.
• Magnetplatzierung: Permanentmagnete sind um den Stator herum angeordnet.

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC)

Ein Synchronmotor, der anders funktioniert als ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor, wird als Bürstenlose DC-Motoren bezeichnet. Der Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors hat Permanentmagnete, während der Stator Wicklungen enthält. Der Controller erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, indem er eine bestimmte Stromwellenform auf die Statorwicklungen anwendet. Der Motor dreht sich aufgrund eines elektromagnetischen Drehmoments, das durch die Wechselwirkung zwischen diesem rotierenden Magnetfeld und dem von den Permanentmagneten des Rotors erzeugten Magnetfeld erzeugt wird. Während des Betriebs des Motors erkennt der Controller die Positionsinformationen des Rotors und passt die Stromwellenform in den Statorwicklungen an, um eine präzise Steuerung des Motors zu erreichen.

Hauptmerkmale:

• Elektronische Kommutierung: Anstatt mechanische Bürsten zur Änderung des Stroms zu verwenden, nutzen BLDC-Motoren elektronische Steuerungen.
• PM am Rotor: Permanentmagnete bilden den Rotor, während die Wicklungen des Stators dies ebenfalls tun.
• Sensoren für Feedback: Sensoren wie Hall-Effekt-Sensoren werden verwendet, um die Position des Rotors zu bestimmen und die Kommutierung zu steuern.

Wichtige Unterschiede zwischen bürstenbehafteten und bürstenlosen Gleichstrommotoren

Design

Die größten Unterschiede liegen in der Bauform und Konstruktion. Bei Bürstenmotoren kommen bei der mechanischen Kommutierung Bürsten und ein Kommutator zum Einsatz. BLDC-Motoren hingegen sparen mechanischen Verschleiß und kommen ohne Bürsten aus, da die Kommutierung über eine elektronische Steuerschaltung erfolgt.

Besonderheit	Gleichstrommotor mit Bürsten	Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)
Kommutierung	Mechanisch (Bürsten und Kommutator)	Elektronisch (durch Schaltkreis gesteuert)
Rotor	Gewickelter Kupferdraht	Permanentmagnete
Stator	Permanentmagnete	Kupferwicklungen
Kontrolle	Einfache elektrische Steuerung	Erfordert elektronische Steuereinheit

Effizienz und Leistung

Der Wirkungsgrad von BLDC-Motoren ist häufig höher als der von entsprechenden Bürstenmotoren. Durch die Beseitigung von Reibungsverlusten und eine verbesserte Wärmeableitung erhöht der Wegfall der Bürsten den Gesamtwirkungsgrad. Bürstenmotoren laufen normalerweise mit einem Wirkungsgrad von 75–80 %, während BLDC-Motoren 85–90 % erreichen können.

In Bezug auf die Leistung können BLDC-Motoren dank elektronischer Kommutierung höhere Geschwindigkeiten, ein besseres Drehmoment pro Gewicht und eine präzisere Steuerung erreichen. Darüber hinaus ermöglicht die Fähigkeit, die Rotorposition zu erfassen, eine gleichmäßige und genaue Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung bei BLDC-Motoren.

Besonderheit	Gleichstrommotor mit Bürsten	Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)
Effizienz	75-80%	85-90%
Max. Geschwindigkeit (U/min)	5,000 – 10,000	10,000 – 100,000
Drehmoment Gewichts Verhältnis	Mäßig	Hoch
Wärmeableitung	Begrenzt durch interne Wärmeentwicklung	Gut durch außenliegende Wicklungen

Wartung und Lebensdauer

Die physischen Bürsten und Kommutatoren in Bürstenmotoren neigen mit der Zeit zum Verschleiß, was zu einer kürzeren Lebensdauer und häufigeren Wartungsanforderungen führt. Um eine optimale Leistung sicherzustellen, ist ein regelmäßiger Austausch der Bürsten erforderlich. Im Gegensatz dazu leiden BLDC-Motoren nicht unter mechanischem Verschleiß, da sie keine Bürsten haben. Dies macht sie im Laufe der Zeit viel zuverlässiger und für Anwendungen geeignet, bei denen Langlebigkeit und geringerer Wartungsaufwand entscheidend sind. BLDC-Motoren halten oft deutlich länger als Bürstenmotoren, manchmal bis zu 10.000–20.000 Stunden Dauerbetrieb.

Besonderheit	Gleichstrommotor mit Bürsten	Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)
Wartung	Hoch (Bürsten müssen regelmäßig ausgetauscht werden)	Niedrig (keine Bürsten, weniger Verschleißpunkte)
Lebensdauer (Stunden)	1,000 – 3,000	10,000 – 20,000

Lärm

Lärm
Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren erzeugen aufgrund der mechanischen Wechselwirkung zwischen den Bürsten und dem Kommutator Lärm. Während des Motorbetriebs reiben die Bürsten ständig am Kommutator, was zu hörbarem Lärm führt. Die Lärmintensität nimmt mit der Motordrehzahl und dem Verschleiß der Bürsten zu.

Hauptlärmquellen:

• Reibung zwischen Bürste und Kommutator
• Lichtbogenbildung an den Bürsten
• Vibrationen durch mechanische Teile

Im Gegensatz dazu sind die Hauptgeräuschquellen bei BLDC-Motoren normalerweise auf Lagerreibung und Rotorvibration zurückzuführen. Diese sind jedoch im Allgemeinen viel leiser als die von Bürstenmotoren erzeugten Geräusche.

Hauptlärmquellen:

• Lagerreibung
• Rotorunwucht (bei mangelhafter Wartung)
• Geringe Vibrationen aufgrund elektromagnetischer Kräfte

Motortyp	Geschwindigkeit (U/min)	Geräuschpegel (dB)
Gleichstrommotor mit Bürsten	1000	55
	3000	60
	5000	65
Bürstenloser Gleichstrommotor	1000	40
	3000	42
	5000	45

Kosten

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren sind aufgrund ihrer einfacheren Konstruktion und Steuerungsmechanismen zunächst günstiger. Ihre langfristigen Kosten können jedoch aufgrund der Notwendigkeit regelmäßiger Wartung und des Austauschs von Teilen steigen. BLDC-Motoren sind zwar teurer in der Herstellung und erfordern eine elektronische Steuerung, weisen jedoch im Laufe der Zeit tendenziell geringere Wartungskosten auf.

Besonderheit	Gleichstrommotor mit Bürsten	Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)
Anschaffungskosten	$10 – $50	$50 – $150
Langfristige Kosten	Höher (Wartung erhöht mit der Zeit die Kosten)	Niedriger (minimaler Wartungsaufwand)

Anwendungen

In Anwendungen, bei denen keine hohe Leistung erforderlich ist und die Kosten eine entscheidende Rolle spielen, werden häufig Bürstenmotoren eingesetzt. Dazu gehören Spielzeuge, Kleingeräte und einfache Industriemaschinen. BLDC-Motoren hingegen werden aufgrund ihrer überlegenen Effizienz, Präzision und Lebensdauer häufig in Hochleistungsanwendungen wie Robotern, Elektrofahrzeugen, Drohnen und fortschrittlichen Industriemaschinen eingesetzt.

Besonderheit	Gleichstrommotor mit Bürsten	Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)
Häufige Anwendungen	Spielzeug, einfache Maschinen, einfache Konsumgüter	Drohnen, Elektrofahrzeuge, Robotik

Fazit

Bei der Wahl zwischen diesen beiden Motortypen müssen die Anforderungen der Anwendung berücksichtigt werden, beispielsweise die gewünschte Geschwindigkeit, Präzision und Wartungstoleranzen. Für hohe Effizienz und dauerhafte Leistung sind Bürstenlose DC-Motoren in der Regel die bessere Wahl. Für kostengünstige Anwendungen, bei denen Einfachheit und Erschwinglichkeit im Vordergrund stehen, können jedoch bürstenbehaftete Gleichstrommotoren eine geeignetere Lösung darstellen.