Welcher ist effizienter: bürstenlose oder bürstenbehaftete Motoren?

Effizienzvergleich zwischen bürstenlosen und bürstenbehafteten Motoren

Bei der Auswahl eines Motors ist die Effizienz eine der wichtigsten Kennzahlen zur Messung der Leistung. Aufgrund von Unterschieden in den technischen Prinzipien und strukturellen Designs, bürstenlose Motoren(BLDC) und Bürstenmotoren weisen unterschiedliche Effizienzen auf.

Bürstenmotor: Mechanische Kommutation führt zu Energieverlust

Bürstenmotoren verlassen sich auf Bürsten und einen Kommutator, um die Stromumwandlung zu erreichen. Während des Betriebs reiben die Bürsten kontinuierlich gegen den Kommutator, was Wärme erzeugt und zu einem Verlust elektrischer Energie führt. Darüber hinaus führen Funken, die durch Reibung entstehen, dazu, dass ein Teil der elektrischen Energie als Wärme verloren geht, was die Effizienz des Motors weiter verringert. Im Laufe der Zeit erhöht der Bürstenverschleiß den Kontaktwiderstand, was zu einem kontinuierlichen Rückgang der Effizienz bei der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie führt.

Im Allgemeinen liegt die Effizienz von Bürstenmotoren zwischen 70 % und 85 %, wobei die Effizienz bei hohen Geschwindigkeiten oder während längerer Betriebszeiten noch weiter sinkt.

Bürstenloser Motor: Elektronische Kommutierung ermöglicht effizienten Betrieb

Bürstenlose Motoren verwenden ein elektronisches Kommutierungssystem anstelle einer mechanischen Kommutierung. Hall-Sensoren erkennen die Position des Rotors, wodurch elektronische Schaltungen die Richtung des Stromflusses präzise steuern können, um Energieverluste durch Bürstenreibung zu vermeiden.

Ohne mechanische Kontaktkomponenten stammen die Energieverluste in bürstenlosen Motoren hauptsächlich aus dem Wicklungswiderstand und Hystereseverlusten, die relativ gering sind. Darüber hinaus kann die elektronische Kommutierung den Strom in Echtzeit entsprechend den Laständerungen anpassen, wodurch der Motor eine hohe Effizienz unter verschiedenen Betriebsbedingungen aufrechterhalten kann. Daher liegt die Effizienz von bürstenlosen Motoren typischerweise zwischen 85 % und 95 %, was sie in Bezug auf Energieeinsparungen überlegen macht.

Die mechanische Kommutierungsstruktur von Bürstenmotoren führt zu inhärenten Nachteilen. Langfristige Reibung zwischen Bürsten und Kommutatoren verringert nicht nur die Effizienz, sondern erzeugt auch Kohlenstaub und andere Schadstoffe, die die interne Sauberkeit, die Wärmeableitung und die Betriebssicherheit beeinträchtigen und somit indirekt die Effizienz senken.

Im Gegensatz dazu ist das Design von bürstenlosen Motoren kompakter und sinnvoller, da es an leicht abnutzbaren mechanischen Kommutierungsteilen fehlt. Sie arbeiten mit minimalen Vibrationen und Geräuschen, was zu einem reibungsloseren Energieumwandlungsprozess führt, der mehr elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt und somit eine höhere Effizienz erzielt.

In Szenarien, die häufige Start-Stopp-Zyklen und präzise Geschwindigkeitsanpassungen erfordern, wie z.B. industrielle Roboter und automatisierte Produktionslinien, sind die Effizienzvorteile von bürstenlosen Motoren besonders offensichtlich. Ihre elektronischen Kommutierungssysteme können schnell auf Steuersignale reagieren und einen effizienten Betrieb bei verschiedenen Geschwindigkeiten aufrechterhalten. Im Vergleich dazu leiden bürstenbehaftete Motoren unter erheblichen Effizienzschwankungen während häufiger Geschwindigkeitsanpassungen aufgrund von Einschränkungen in der mechanischen Kommutierung, was nicht den Anforderungen an hohe Präzision und Effizienz in der Produktion gerecht wird.

In Haushaltsgeräten wie Ventilatoren und elektrischen Rasierern werden bürstenbehaftete Motoren aufgrund ihrer geringen Kosten und einfachen Struktur weiterhin häufig verwendet. Obwohl ihre Effizienz relativ niedriger ist, ist der Einfluss auf den gesamten Energieverbrauch angesichts der geringeren Leistungswerte und kürzeren Nutzungszeiten nicht signifikant. In größeren Haushaltsgeräten mit höheren Anforderungen an die Energieeinsparung, wie z.B. hochwertigen Kühlschränken und Klimaanlagenkompressoren, werden jedoch bürstenlose Motoren allmählich zu einer gängigen Wahl aufgrund ihrer hohen Effizienz.

Für mobile Geräte im Freien wie Drohnen und Elektrofahrräder ist die Akkulaufzeit entscheidend. Die hohe Effizienz von bürstenlosen Motoren reduziert den Energieverbrauch und verlängert die Nutzungsdauer der Geräte. Zum Beispiel haben Drohnen, die mit bürstenlosen Motoren ausgestattet sind, 20 % bis 30 % längere Flugzeiten im Vergleich zu solchen mit bürstenbehafteten Motoren, was für Geräte, die langanhaltende Aufgaben ausführen müssen, erheblich ist.

Insgesamt haben bürstenlose Motoren im Allgemeinen eine höhere Effizienz als bürstenbehaftete Motoren, hauptsächlich aufgrund der elektronischen Kommutierungstechnologie und des überlegenen strukturellen Designs. In praktischen Anwendungen sollte die Wahl zwischen den beiden jedoch auf spezifischen Bedürfnissen basieren. Wenn hohe Effizienz, Langlebigkeit und geringe Wartung Priorität haben, sind bürstenlose Motoren die bessere Wahl. Andererseits können bürstenbehaftete Motoren, wenn die Kosten ein primäres Anliegen sind und die Effizienzanforderungen nicht streng sind, immer noch die Bedürfnisse bestimmter Szenarien erfüllen.