Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt den aktuellen Entwicklungsstand bürstenloser Gleichstrommotoren und ihrer Komponenten, analysiert die Probleme, die weiterer Forschung bedürfen, und zeigt zukünftige Entwicklungsrichtungen auf. Schlüsselwörter: bürstenloser Gleichstrommotor; Übersicht; Steuerung 1 Einleitung Gleichstrommotoren finden aufgrund ihrer hervorragenden Drehmomentcharakteristik breite Anwendung in der Bewegungssteuerung. Herkömmliche Gleichstrommotoren weisen jedoch eine geringe Zuverlässigkeit auf und erfordern aufgrund der mechanischen Kommutierung und der Bürsten häufige Wartung. Zudem entstehen bei der Kommutierung elektromagnetische Störungen und hohe Geräuschentwicklungen, was ihren Einsatz in Steuerungssystemen beeinträchtigt. Um die Nachteile der mechanischen Kommutierung zu überwinden, wurden bürstenlose Motoren mit elektronischer Kommutierung entwickelt. 1955 meldeten D. Harrison et al. in den USA erstmals ein Patent für den Ersatz mechanischer Bürsten durch Transistor-Kommutierungsschaltungen an und begründeten damit die modernen bürstenlosen Motoren. Elektronisch kommutierte bürstenlose Gleichstrommotoren erreichten mit der Einführung des klassischen bürstenlosen Gleichstrommotors MAC und seines Treibers im Jahr 1978 die Phase der praktischen Anwendung. Seitdem wird international intensiv an bürstenlosen Gleichstrommotoren geforscht, und es wurden sukzessive Rechteckwellen- und Sinuswellen-Gleichstrommotoren entwickelt. In den letzten 20 Jahren haben bürstenlose Motoren dank der Entwicklung von Permanentmagnetmaterialien, Mikroelektronik, Automatisierungstechnik und Leistungselektronik, insbesondere von Hochleistungsschaltgeräten, bedeutende Fortschritte erzielt. Der Begriff „bürstenloser Gleichstrommotor“ bezeichnet heute nicht mehr ausschließlich Gleichstrommotoren mit elektronischer Kommutierung, sondern allgemein elektronisch kommutierte Motoren, die die äußeren Eigenschaften von Bürsten-Gleichstrommotoren aufweisen [1]. Bürstenlose Gleichstrommotoren bieten nicht nur die hervorragenden dynamischen und statischen Drehzahlregelungseigenschaften traditioneller Gleichstrommotoren, sondern zeichnen sich auch durch einen einfachen Aufbau, zuverlässigen Betrieb und einfache Steuerung aus. Ihre Anwendungsbereiche haben sich rasant von der ursprünglichen Militärindustrie auf die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, die Informationstechnik, Haushaltsgeräte und die industrielle Automatisierung ausgeweitet. Im Gegensatz zu Bürsten-Gleichstrommotoren dient bei bürstenlosen Gleichstrommotoren die Statorwicklung als Anker, während die Erregerwicklung durch Permanentmagnete ersetzt wird. Je nach Stromverlauf in der Ankerwicklung lassen sich bürstenlose Gleichstrommotoren in Rechteckwellen-Gleichstrommotoren (BLDCM) und Sinuswellen-Gleichstrommotoren (PMSM) unterteilen. BLDCM nutzt die elektronische Kommutierung anstelle der mechanischen Kommutierung des herkömmlichen Gleichstrommotors und verwendet Permanentmagnete für den Rotor, wodurch Bürsten entfallen. PMSM hingegen nutzt Permanentmagnete anstelle der Erregerwicklung im Rotor des Synchronmotors, wodurch Erregerwicklung, Schleifringe und Bürsten überflüssig werden. Unter gleichen Bedingungen lässt sich mit der Ansteuerschaltung leichter eine Rechteckwelle erzeugen, und die Steuerung ist einfacher. Daher ist der BLDCM weiter verbreitet als der PMSM [2]. Ein bürstenloser Gleichstrommotor besteht im Allgemeinen aus drei Komponenten: einer elektronischen Kommutierungsschaltung, einer Rotorpositionserkennungsschaltung und dem Motorgehäuse. Die elektronische Kommutierungsschaltung besteht im Allgemeinen aus einem Steuer- und einem Antriebsteil, während die Rotorpositionserkennung üblicherweise durch einen Positionssensor erfolgt. Im Betrieb steuert die Steuerung die einzelnen Leistungstransistoren der Antriebsschaltung entsprechend der vom Positionssensor gemessenen Rotorposition an und führt so eine geordnete Kommutierung zur Ansteuerung des Gleichstrommotors durch [3]. Dieser Artikel analysiert die Entwicklung bürstenloser Motoren aus der Perspektive dieser drei Komponenten. 2. Entwicklungsstand der einzelnen Komponenten 2.1 Motorgehäuse Bürstenlose Gleichstrommotoren sind hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Struktur im Wesentlichen mit bürstenbehafteten Gleichstrommotoren vergleichbar. Ihre Ankerwicklung befindet sich jedoch auf dem Stator, und der Rotor ist leichter, was die Struktur vereinfacht, die Leistung verbessert und somit die Zuverlässigkeit erhöht. Die Entwicklung bürstenloser Motoren ist untrennbar mit der Entwicklung von Permanentmagnetmaterialien verbunden. Die Entwicklung magnetischer Materialien hat im Wesentlichen folgende Stufen durchlaufen: AlNiCo, Ferritmagnete und Neodym-Eisen-Bor (NdFeB). Neodym-Eisen-Bor besitzt ein hohes magnetisches Energieprodukt und hat mit seiner Entwicklung eine Revolution im Bereich der Magnetwerkstoffe ausgelöst. Der Einsatz von Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten der dritten Generation hat den Kupferverbrauch in Motoren weiter reduziert und die Entwicklung bürstenloser Motoren hin zu höherer Effizienz, Miniaturisierung und Energieeinsparung vorangetrieben [4]. Um die Leistungsdichte von Motoren zu verbessern, wurden in letzter Zeit Permanentmagnetmotoren mit quer verlaufendem Magnetfeld entwickelt. Die Statornuten und Ankerspulen sind senkrecht zueinander angeordnet, und der Hauptmagnetfluss im Motor verläuft entlang der Motorachse. Diese Struktur verbessert die magnetische Dichte im Luftspalt und ermöglicht ein deutlich höheres Drehmoment als herkömmliche Motoren [5]. Dieser Motortyp befindet sich derzeit in der Forschungs- und Entwicklungsphase. 2.2 Elektronische Kommutierungsschaltung: Die Steuerschaltung des bürstenlosen Gleichstrommotors regelt Drehzahl, Drehrichtung und Drehmoment und schützt den Motor vor Überstrom, Überspannung und Überhitzung durch Ansteuerung der Leistungsschalter in der Ansteuerschaltung. Anfänglich wurden analoge Schaltungen verwendet, die relativ einfach zu handhaben waren. Durch die Digitalisierung der Schaltung können viele Hardware-Operationen direkt von Software ausgeführt werden. Dies reduziert die Anzahl der Hardware-Schaltungen, erhöht die Zuverlässigkeit und verbessert die Störfestigkeit der Steuerschaltung. Daher hat sich die Steuerschaltung von analogen zu digitalen Schaltungen weiterentwickelt. Aktuell gibt es im Allgemeinen drei Arten von Steuerschaltungen: dedizierte integrierte Schaltungen (DICs), Mikroprozessoren und digitale Signalprozessoren (DSPs). Bei geringen Anforderungen an die Motorsteuerung ist die Verwendung dedizierter integrierter Schaltungen eine einfache und praktische Methode. Da DSPs eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, weniger Peripherieschaltungen und einen einfachen und zuverlässigen Systemaufbau bieten, wird der Aufbau bürstenloser Gleichstrommotoren deutlich vereinfacht und ihre Leistung erheblich verbessert. Dies fördert die Miniaturisierung und die intelligente Steuerung von Motoren. Daher ist die Entwicklung von Steuerschaltungen hin zu digitalen Signalprozessoren zukunftsweisend [6]. Ansteuerschaltung: Die Ansteuerschaltung liefert elektrische Leistung für die Ankerwicklung des Motors und wird von der Steuerschaltung gesteuert. Sie besteht aus Hochleistungsschaltgeräten. Die Entwicklung von Thyristoren ermöglichte den Übergang von bürstenbehafteten zu bürstenlosen Gleichstrommotoren. Da Thyristoren jedoch nur halbgesteuerte Schaltelemente sind, die lediglich das Einschalten steuern und keine Selbstabschaltfunktion besitzen, ist ihre Schaltfrequenz relativ niedrig und genügt nicht den Anforderungen für weitere Leistungsverbesserungen bürstenloser Gleichstrommotoren. Mit der rasanten Entwicklung der Leistungselektronik sind vollgesteuerte Leistungsschaltelemente entstanden, darunter Abschalttransistoren (GTOs), Leistungs-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Metallgate-Bipolartransistoren (IGBTs), integrierte Gate-Kommutierte Thyristoren (IGCTs) und die neu entwickelten Elektronen-injizierten Enhancement-Gate-Transistoren (IEGTs) [7]. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Leistung dieser Leistungsbauelemente haben sich auch die entsprechenden Ansteuerschaltungen für bürstenlose Motoren rasant weiterentwickelt. Vollgesteuerte Schaltelemente ersetzen heutzutage zunehmend herkömmliche Thyristoren mit ihren komplexen Schaltungen, ihrer Größe und ihren geringen Leistungskennzahlen. Die Ansteuerschaltung wurde von einem linearen Verstärkungszustand auf einen Pulsweitenmodulations-Schaltzustand umgestellt, und auch der zugehörige Schaltungsaufbau wurde von diskreten Leistungstransistoren auf modulare integrierte Schaltungen umgestellt. Dies ermöglicht intelligente, hochfrequente und miniaturisierte Ansteuerschaltungen. 2.3 Rotorpositionserkennungsschaltung Ein Permanentmagnet-Bürstenlosmotor ist ein mechatronisches System mit geschlossenem Regelkreis. Er nutzt das Signal der Rotorpolposition als Kommutierungssignal für die elektronische Schaltschaltung. Daher sind eine präzise Rotorpositionserkennung und das zeitgerechte Schalten der Leistungshalbleiter basierend auf der Rotorposition entscheidend für den ordnungsgemäßen Betrieb des Bürstenlos-Gleichstrommotors. Die Verwendung eines Positionssensors zur Rotorpositionserkennung ist die direkteste und effektivste Methode. Im Allgemeinen wird der Positionssensor auf der Rotorwelle installiert, um eine Echtzeit-Rotorpositionserkennung zu ermöglichen. Die ersten Positionssensoren waren magnetoelektrisch, aber aufgrund ihrer Größe und Komplexität nicht mehr im Einsatz. Heutzutage werden in Bürstenlos-Gleichstrommotoren häufig magnetische Hall-Effekt-Positionssensoren sowie fotoelektrische Positionssensoren verwendet. Die Verwendung von Positionssensoren erhöht Gewicht und Baugröße bürstenloser Gleichstrommotoren und erschwert so deren Miniaturisierung. Sensoren verschleißen während des Betriebs und sind schwer zu warten. Gleichzeitig beeinflussen Installationsgenauigkeit und Empfindlichkeit der Sensoren direkt die Betriebsleistung des Motors. Darüber hinaus können die zahlreichen Übertragungsleitungen leicht Störsignale verursachen. Da das Signal hardwareseitig erfasst wird, sinkt die Systemzuverlässigkeit zusätzlich. Um der Weiterentwicklung bürstenloser Motoren gerecht zu werden, wurden sensorlose Motoren entwickelt. Diese nutzen in der Regel die induzierte Gegenspannung der Ankerwicklung, um indirekt die Position der Rotormagnetpole zu bestimmen. Im Vergleich zur direkten Erfassungsmethode eliminieren sie den Positionssensor, vereinfachen die Motorstruktur, erzielen gute Ergebnisse und finden breite Anwendung. Bei sensorlosen bürstenlosen Motoren, die die Gegenspannung zur Positionsbestimmung nutzen, stellt jedoch die Frage nach einem sanften Anlauf eine Herausforderung dar, da im Stillstand keine Gegenspannung erzeugt wird. In den letzten Jahren wurde ein neuer sensorloser bürstenloser Motor entwickelt. Anstatt die Rotorposition mittels induzierter Gegenspannung zu erfassen, nutzt dieser Motor ein nichtmagnetisches, leitfähiges Material, das an der Rotoroberfläche angebracht ist. Beim Hochfrequenzschalten der Statorwicklung bewirkt der Wirbelstromeffekt im nichtmagnetischen Material eine Änderung der Leerlaufphasenspannung in Abhängigkeit von der Rotorposition. Die Rotorposition lässt sich somit durch Messung dieser Leerlaufphasenspannung bestimmen. Dieser sensorlose bürstenlose Motor überwindet die Anlauf- und Niedrigdrehzahlprobleme herkömmlicher positionsloser bürstenloser Motoren. Allerdings erfordert dieses Verfahren einen speziellen Motor und stellt hohe Anforderungen an den Fertigungsprozess [8]. 3. Weiterer Forschungsbedarf 3.1 Drehmomentwelligkeit Das derzeit größte Problem bei bürstenlosen Gleichstrommotoren ist die Drehmomentwelligkeit. Diese Welligkeit schränkt ihren Einsatz in Wechselstrom-Servosystemen ein, insbesondere in Direktantriebsanwendungen, wo sie die Drehzahlregelungseigenschaften des Motors verschlechtert. Bürstenlose Gleichstrommotoren, die in audiovisuellen Geräten, Filmmaschinen und Computern eingesetzt werden, erfordern einen ruhigen und geräuschlosen Betrieb. Daher ist die Unterdrückung oder Beseitigung der Drehmomentwelligkeit entscheidend für die Verbesserung der Servosystemleistung. Die Hauptursachen für Drehmomentwelligkeit sind: Rastmoment und Flussverzerrung; Oberschwingungen; und Kommutierungsstrom aufgrund der äquivalenten Ankerinduktivität. Universitäten und Forschungseinrichtungen haben die Drehmomentwelligkeit intensiv untersucht und verschiedene Methoden zur Unterdrückung oder Reduzierung vorgeschlagen, um die Leistung bürstenloser Motoren in unterschiedlichem Maße zu verbessern. Diese Studien befassen sich jedoch lediglich mit der Abschwächung oder Kompensation bestehender Strukturen und Lösungen und können die Drehmomentwelligkeit nicht grundlegend beseitigen. Daher ist weitere Forschung zur Drehmomentwelligkeit erforderlich. 3.2 Sensorlose Rotorpositionserkennung Sensorlose Rotorpositionserkennungsmethoden umfassen hauptsächlich: die Gegen-EMK-Methode, die Freilaufdiodenmethode, die Induktivitätsmethode und die Zustandsbeobachtungsmethode. Die Gegen-EMK-Methode ist die gebräuchlichste und am weitesten verbreitete Methode. Diese Methode basiert jedoch auf der Vernachlässigung der Ankerreaktion, was systembedingt zu Fehlern führt. Bei Hochleistungs-Bürstenlosmotoren ist der Einfluss der Ankerreaktion auf die magnetische Flussdichte im Luftspalt signifikanter, was zu größeren Fehlern führt. Andererseits ist die Gegen-EMK beim Anlauf und bei niedriger Drehzahl null oder sehr gering, was die Rotorpositionsbestimmung mittels Gegen-EMK erschwert. Sensorlose bürstenlose Motoren weisen Anlaufprobleme auf [9]. Daher sind die Kompensation des durch die Gegen-EMK-Methode verursachten Rotorpositionsfehlers bei Hochleistungs-Bürstenlosmotoren und die Überwindung des Anlaufproblems mittels Gegen-EMK dringende Herausforderungen. Üblicherweise wird zur Behebung des Anlaufproblems zunächst ein anderer Anlaufmodus verwendet und anschließend auf den sensorlosen Betrieb umgeschaltet. 4. Entwicklungsrichtung bürstenloser Gleichstrommotoren: Mit der Weiterentwicklung der Elektronik und Steuerungstechnik kann die Positionserkennung durch Chips in Kombination mit geeigneten Algorithmen realisiert werden. Das Aufkommen von Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessoren und DSP-Bausteinen sowie dedizierten Steuerungschips hat die Betriebsgeschwindigkeit und Rechenleistung erheblich verbessert. Die inhärente Rechenleistung von DSPs kann zur sensorlosen Steuerung von Bürstenlosmotoren genutzt werden [10]. Der Einsatz von DSPs zur sensorlosen Steuerung hat sich zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt, und kostengünstige sensorlose bürstenlose DSP-Motoren sind zur Entwicklungsrichtung für bürstenlose Gleichstrommotoren geworden.