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Allgemeines

Brushless-Motoren (BLDC, Brushless DC Motor) sind bürstenlose Gleichstrommotoren, wobei zwischen Außen- und Innenläufern unterschieden wird. (Outrunner/Inrunner). Erstere haben ein höheres Drehmoment bei niedrigerer Drehzahl, bei Innenläufern ist es umgekehrt. Diese Art von Motor läuft somit leiser und kann höhere Drehzahlen erreichen, weswegen Brushless-Motoren häufig im Modellbau eingesetzt werden. Beispielsweise finden sich bei Quadrocoptern ausschließlich solche als Antrieb, da zudem auch die Leistung pro Masse höher ist und damit auch der Wirkungsgrad. Der wohl größte Vorteil ist der Wegfall von Bürsten/Kohleschleifer, somit können nur die Wellenlager verschleißen.
Bürstenlose Motoren finden aber auch in Alltagsgeräten wie etwa CD/DVD-Spielern, PC-Lüftern und Festplatten Anwendung, wo es entweder auf Laufruhe oder auf konstante Drehzahlen ankommt.
Jeder Schrittmotor in Scannern, Druckern und vielen weiteren Geräten ist auch bürstenlos und besitzt eine hohe Schrittanzahl pro Umdrehung, wodurch der Winkelversatz pro Schritt sehr viel kleiner ist (Größenordnung um die 1.8°).

Zusammenfassend sind die Vorteile dieser Motoren:

• Laufruhe
• Höhere Drehzahlen möglich
• Stellgenauigkeit (Auch ohne ext. Sensorik)
• Wenig Verschleiß (Nur die Lager)
• Höherer Wirkungsgrad

Und die Nachteile:

• Eine spezielle Steuerelektronik wird benötigt (ESC, electronic speed controller)

Beispiele

Hier ein paar Beispiele von Brushlessmotoren aus technischen Geräten:

1: Festplattenmotor (3,5″, 7200 U/min) 2: Nema-Schrittmotor 3: CD-Player (Notebook)
4: Videokopf aus 8mm-Camcorder 5: Videorecorder 6: Lüfter

Ansteuerung

Die Ansteuerung wird nicht mit einer Gleichspannung bewerkstelligt, deren Intensität die Drehzahl bestimmt, sondern über ein Drehfeld.
(Modellbau)BL-Motoren haben in der Regel 3-4 Anschlüsse, die abwechselnd bestromt werden, jeweils mit 120° Phasenverschiebung.
Die Frequenz dieses Drehfeldes bestimmt die Drehzahl, der maximale Ausgangsstrom kann einfach über PWM geregelt werden.

ESC per Arduino geregelt

Erstellt mit Fritzing – Modelle freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Evan Boldt.

Der ESC (oben) besitzt 2 Hochstromeingänge für die Versorgung, sowie einen 3-poligen Stecker, an dem die Masse und das Taktsignal (hier orange) der Fernsteueranlage anliegen. Die meisten ESCs haben zudem einen sog. BEC (Battery Eliminator Circuit) integriert (kleines rotes Kabel), wodurch zusätzlich geregelte 5V für weitere Elektronik bereitgestellt wird und auf einen zusätzlichen Spannungswandler verzichtet werden kann.

Hier muss beachtet werden, dass zwar die Masse des ESCs mit der des Arduinos verbunden wird, jedoch nicht die rote 5V-Leitung, sonst kommt es zum Kurzschluss zweier Spannungsquellen! Die Signalleitung wird an dem gewünschten Pin angeschlossen.

Das Taktsignal ist ein einfaches Rechtecksignal mit einer Periodendauer von meist 20 ms, obwohl auch kürzere Zeiten noch möglich sind (und eine entsprechend höhere Aktualisierungsrate). Wichtig ist die Pulsdauer, die zwischen 1 ms und 2 ms liegt, was in 0-100% Aussteuerung resultiert, bei Servos 0-180°, bei ESCs die Drehgeschwindigkeit. Hierbei ist noch sehr wichtig, dass viele ESCs gar nicht erst starten, wenn am Anfang die Aussteuerung 0% beträgt (servo.write(0)), es muss ein kleiner Offset vorgegeben werden. Zudem sind ESCs für Flugmodelle grundsätzlich leichter anzusteuern, da Modi wie Bremsen oder Rückwärtsgang grundsätzlich fehlen.

Nachfolgend ist hier der Code für den Arduino, über servo.write(Wert) kann man die Geschwindigkeit des Motor regeln.

Experimente mit Festplattenmotoren

Es lassen sich auch mit solchen BL-Reglern aus dem Modellbau normale Festplattenmotoren ansteuern. Hierbei ist nur zu beachten, dass diese 4 Anschlüsse anstatt 3 haben – Trotzdem haben diese sog. Spindelmotoren auch nur 3 Phasen, die 4. Leitung ist einfach eine Mittelanzapfung und kann unbelegt bleiben.

Standartmäßig drehen Desktop-Festplatten mit 7200 U/min, also 120 U/s, mit einem darauf befestigtem Spiegel lassen sich interessante Laserexperimente durchführen, ein entsprechendes Projekt hatte ich geplant (Laser(-POV)-Projektor), aber mangels Hardware konnte ich es leider noch nicht umsetzen: Der rotierende Spiegel auf dem Festplattenmotor erzeugt eine Linie, mit einem zweiten Spiegel kann man diese noch in Y-Richtung “rastern” und somit Texte oder Pixel anzeigen lassen. Probleme dabei: entsprechend schnelle Galvanometer-Spiegel sind mit mindestens 100€ nicht ganz billig und Lautsprecher sind zu träge.

Die Drehzahl kann mit einem externen BL-Regler auch deutlich überschritten werden, maximal konnte ich etwa 200U/s (12000U/min) bei 14.4V Versorgungsspannung erreichen.