BLDC- / EC-Motor – elektronisch kommutiert

BLDC steht für Brushless DC, also bürstenloser Gleichstrommotor. EC-Motor ist die Abkürzung für Electronically Commutated Motor. Beide Begriffe beschreiben dieselbe Grundidee: ein Motor mit Permanentmagnet-Rotor, dessen Statorwicklungen von einer Elektronik so geschaltet werden, dass im Stator ein umlaufendes Magnetfeld entsteht. Welcher Begriff verwendet wird, ist eher Tradition als Technik – „EC-Motor“ ist in der Lüfter- und HVAC-Pumpentechnik üblicher, „BLDC“ in der Modellbau-, E-Bike- und Antriebstechnik.

Der Vergleich mit dem klassischen Gleichstrommotor liegt nahe und hat der Bauart auch ihren Namen gegeben. Beim Gleichstrommotor sitzen die stromdurchflossenen Spulen im Rotor; Kohlebürsten und ein Kommutator polen den Strom mechanisch in dem Moment um, in dem er an der nächsten Polteilung vorbeiläuft. Beim BLDC ist die Anordnung umgekehrt: die Wicklungen sitzen fest im Stator, der Rotor trägt nur Permanentmagnete, und das Umschalten übernimmt eine Halbleiterelektronik. Die Eigenschaft „verhält sich von außen wie ein Gleichstrommotor, ist aber bürstenlos“ hat den Namen geprägt. Die Funktionsweise des klassischen Gleichstrommotors ist im Beitrag „Gleichstrommotor – Aufbau und Funktion“ beschrieben.

Konstruktiv unterscheidet sich der BLDC oft nicht von einem Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM). Der Unterschied liegt im Detail des magnetischen Aufbaus, im Verlauf der induzierten Spannung und vor allem in der Art der Ansteuerung. Darauf gehen wir in Kapitel 5 genauer ein; der eigene Beitrag „Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM)“ beleuchtet die PMSM-Seite tiefer.

Ein point, der oft übersehen wird: Obwohl im Namen „DC“ steckt, fließt im Stator selbst kein Gleichstrom. Die B6-Brücke makes aus der Gleichspannung der Quelle eine blockförmige Wechselspannung mit drei Strängen – elektrisch gesehen ist der Motor ein dreiphasiger Synchronmotor. „DC“ bezieht sich nur auf die Versorgung der Elektronik.

Der Stator eines BLDC-Motors entspricht in seinem Grundaufbau dem eines kleinen Drehstrommotors: ein lamelliertes Blechpaket mit Nuten, in denen drei räumlich um 120° versetzte Wicklungsstränge eingelegt sind. Diese Stränge tragen die Bezeichnungen U, V und W und können je nach Auslegung im Stern oder im Dreieck verschaltet sein. In der Praxis dominiert die Sternschaltung mit zugänglichem Sternpunkt, weil sich daran sensorlose Verfahren leichter umsetzen lassen (siehe Kapitel 6).

Der Rotor unterscheidet sich dagegen deutlich von einem Asynchronmotor. Statt eines Käfigs oder einer Erregerwicklung trägt er Permanentmagnete, üblicherweise aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) für hohe Leistungsdichte oder aus Ferrit, wenn Kosten wichtiger sind als Baugröße. Die Magnete sind so angeordnet, dass sich Nord- und Südpole am Umfang abwechseln. Die Anzahl der Polpaare bestimmt, wie viele elektrische Umdrehungen für eine mechanische Umdrehung nötig sind:

Zwei Bauformen sind in der Praxis verbreitet. Beim Innenläufer dreht der magnetische Rotor innerhalb des Stators – das ist die klassische Anordnung und liefert die schnellsten Beschleunigungswerte bei geringer Massenträgheit. Beim Außenläufer umschließt eine glockenförmige Rotor-Konstruktion den feststehenden Stator von außen; die Magnete sitzen an der Innenseite dieser Glocke. Außenläufer haben durch ihren größeren Magnetdurchmesser ein höheres Drehmoment bei gleicher Baulänge, dafür eine größere Massenträgheit. CPU-Lüfter und Drohnen-Motoren sind typische Außenläufer; hochdynamische Antriebe in Werkzeugmaschinen oder Servoanwendungen meist Innenläufer.

Damit die Elektronik weiß, in welchem Moment sie den nächsten Schaltschritt einleiten muss, braucht sie eine Information über die aktuelle Rotorlage. In der klassischen BLDC-Ausführung übernehmen das drei Hall-Sensoren, jeweils um 120° elektrisch zueinander versetzt am Statorinnendurchmesser montiert. Jeder Sensor liefert ein digitales Signal, das angibt, ob gerade ein Nord- oder ein Südpol an ihm vorbeiläuft. Aus der Kombination der drei Sensorsignale ergeben sich sechs eindeutige Zustände pro elektrischer Umdrehung – genau die Zahl von Schaltschritten, die ein 3-Strang-System braucht.

Die zentrale Komponente, die einen BLDC-Motor erst zum Laufen bringt, ist die B6-Brücke – eine dreiphasige Wechselrichterbrücke aus sechs Halbleiterschaltern. Üblicherweise kommen MOSFETs (in der Kleinleistung bis einige Kilowatt) oder IGBTs (ab einigen Kilowatt aufwärts) zum Einsatz. Die Brücke wird aus einer Gleichspannungsquelle gespeist – einer Batterie, einem Akku oder einem gleichgerichteten Netzstrom – und schaltet diese Spannung in einer festgelegten Reihenfolge auf die drei Stränge U, V und W.

Das Grundprinzip ist erstaunlich einfach: In jedem Schritt fließt Strom durch genau zwei der drei Stränge, der dritte ist abgeschaltet. Der obere Schalter einer Halbbrücke legt positives Potenzial auf einen Strang, der untere Schalter einer anderen Halbbrücke legt negatives Potenzial auf einen anderen Strang. Der Strom fließt durch beide Stränge in Reihe und ruft im Stator einen magnetischen Fluss in einer bestimmten räumlichen Richtung hervor.

Eine grundsätzliche Frage bleibt noch offen: Warum muss der Controller im exakt richtigen Moment schalten? Die Antwort liegt in einer physikalischen Tatsache: Das Drehmoment, das ein Magnetfeld auf den Rotor ausübt, ist proportional zum Sinus des Winkels zwischen Statorfeld und Rotorfeld. Sind beide Felder gleichgerichtet, ist sin(0°) = 0 – kein Drehmoment. Stehen sie senkrecht zueinander, ist sin(90°) = 1 – maximales Drehmoment. Aus diesem Grund versucht der Controller, den Statorfeld-Vektor immer so zu schalten, dass er dem Rotorfeld-Vektor um 90° elektrisch voreilt. Beim 6-Schritt-Verfahren springt der Stator-Vektor in 60°-Schritten weiter, sodass der Voreilungswinkel zwischen 60° und 120° pendelt – im Mittel knapp an den 90°, daher die nahezu maximale Drehmomenterzeugung.

Die Zuordnung von Hall-Sensorsignalen zu Schaltzuständen lässt sich kompakt als Tabelle darstellen. Eine typische Sequenz für die Drehung im Uhrzeigersinn:

Nach Schritt 6 beginnt die Sequenz von vorn – eine elektrische Umdrehung ist abgeschlossen. Eine Drehrichtungsumkehr ist denkbar einfach: Die Reihenfolge der Schritte wird gespiegelt, also 6, 5, 4, 3, 2, 1. Mechanisches Umverdrahten, wie es bei Drehstrommotoren am Klemmenbrett nötig ist, entfällt – die Software erledigt das.

Die mechanische Drehzahl eines BLDC-Motors hängt direkt von der Kommutierungsfrequenz – also der elektrischen Frequenz, mit der der Controller die Stränge umschaltet – und der Polpaarzahl ab:

Anders als beim Asynchronmotor gibt es keinen Schlupf – ein Permanentmagnet-Synchronmotor läuft im stationären Zustand exakt synchron mit dem vom Stator erzeugten Drehfeld. Der Controller bestimmt also über die Schaltfrequenz direkt die Drehzahl.

Das Drehmoment ist im Wesentlichen eine Funktion des Stromes. Im linearen Arbeitsbereich gilt:

Die Drehmomentkonstante kT ist eine Eigenschaft des Motors, die im Datenblatt angegeben wird. Sie hängt von der Magnetstärke und der Wicklungsgeometrie ab. Verdoppelt sich der Strom, verdoppelt sich näherungsweise auch das Drehmoment – das gilt, solange der Magnet nicht in die Sättigung gerät und die Wicklung thermisch nicht überlastet wird.

Eng verwandt ist die Spannungskonstante kE, die den Zusammenhang zwischen Drehzahl und induzierter Gegenspannung (Gegen-EMK, Back-EMF) beschreibt:

Im SI-System sind kT und kE bei einem idealen, verlustfreien Permanentmagnetmotor zahlenmäßig identisch (bezogen auf die mechanische Winkelgeschwindigkeit). In Datenblättern findet sich oft auch der Kehrwert von kE, die sogenannte kV-Konstante (Einheit 1/min/V) – sie gibt an, wie viele Umdrehungen pro Minute der Motor pro Volt Klemmenspannung im Leerlauf macht.

Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie eines BLDC verläuft in einem weiten Bereich nahezu flach: bis zum Nennpunkt liefert der Motor näherungsweise konstantes Drehmoment, darüber bricht die Kennlinie steil ab. Der genaue Verlauf von M-n-Kennlinien wird im eigenen Beitrag „Motorkenngrößen: M-n-Kennlinie, Drehmoment, Leistung“ behandelt.

Konstruktiv sind BLDC und PMSM kaum auseinanderzuhalten. Der entscheidende Unterschied liegt darin, wie der Hersteller die magnetische Auslegung und damit die Form der induzierten Spannung gestaltet hat – und welche Art von Stromform die Steuerelektronik einprägt.

Beim klassischen BLDC ist die Gegen-EMK über der Rotorlage näherungsweise trapezförmig: ein steiler Anstieg, ein langes flaches Plateau, ein steiler Abfall, ein gespiegeltes negatives Plateau. Diese Form ergibt sich aus konzentrierten Wicklungen und einer relativ einfachen Magnetanordnung. Die ideale Stromform für ein konstantes Drehmoment ist dann ebenfalls rechteck- bzw. blockförmig – genau das liefert die 6-Schritt-Blockkommutierung. Im Plateaubereich der Gegen-EMK schaltet der Controller den Block-Strom hinzu, das Produkt aus konstanter Spannung und konstantem Strom ergibt eine konstante Leistung und damit ein konstantes Drehmoment.

Beim PMSM sind Wicklung und Magnetanordnung so optimiert, dass die Gegen-EMK näherungsweise sinusförmig verläuft. Die ideale Stromform ist dann ebenfalls sinusförmig, und zwar in allen drei Strängen gleichzeitig mit 120° Phasenverschiebung. Der Controller prägt diese Sinusströme über Pulsweitenmodulation (PWM) ein und benötigt dafür eine genaue Information über die Rotorlage – typischerweise von einem Resolver, einem Inkrementalgeber oder einem absoluten Encoder. Das Verfahren heißt feldorientierte Regelung (FOC).

In der Praxis verschwimmt die Grenze zwischen den beiden Welten zunehmend. Viele Motoren sind so gewickelt, dass beide Ansteuerarten funktionieren – der entscheidende Unterschied liegt dann nicht im Motor, sondern in der Software des Controllers. Hochwertige Antriebe verwenden fast immer Sinuskommutierung mit FOC, weil sie eine deutlich geringere Drehmomentwelligkeit liefern. Beim 6-Schritt-Verfahren springt der Stromvektor in 60°-Schritten weiter, was am Übergang zwischen zwei Schritten ein leichtes Pulsieren des Drehmoments verursacht – hörbar als rauere Laufruhe, spürbar als feine Vibration. Bei einem CPU-Lüfter spielt das keine Rolle, bei einer hochpräzisen Werkzeugmaschinen-Vorschubachse oder einem hochwertigen E-Auto-Antrieb schon. Die PMSM-Welt mit FOC ist im Detail im eigenen Beitrag „Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM)“ beschrieben.

Hall-Sensoren funktionieren zuverlässig, kosten aber Geld, brauchen Platz und drei zusätzliche Leiter im Motorkabel. Bei Massenprodukten – Lüftern, Pumpen, Haushaltsgeräten – ist die sensorlose Ansteuerung deshalb die Standardvariante geworden.

Das Grundprinzip ist elegant: Bei der Blockkommutierung ist in jedem Schritt einer der drei Stränge stromlos. An genau diesem Strang lässt sich die durch die Drehung des Permanentmagnet-Rotors induzierte Gegenspannung direkt messen. Diese Spannung kreuzt zu einem definierten Zeitpunkt relativ zur Rotorlage die Nulllinie – der BEMF-Nulldurchgang. Aus dem zeitlichen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen errechnet der Controller die aktuelle Drehzahl und legt den nächsten Schaltschritt fest.

Der große Vorteil: keine zusätzlichen Sensoren, keine zusätzliche Verkabelung, weniger potenzielle Fehlerquellen. Der Nachteil tritt beim Anlauf zutage. Im Stillstand ist die Gegen-EMK null – es gibt nichts zu messen. Der Controller muss den Motor zunächst „blind“ in einer vordefinierten Sequenz beschleunigen (Open-Loop-Start), bis die Drehzahl hoch genug ist, dass die BEMF zuverlässig erkannt wird. Erst dann übernimmt die geregelte Kommutierung. Bei Anwendungen mit kalter Anlaufsituation – ein Lüfter dreht ohne Last frei mit, eine Pumpe darf langsam hochfahren – funktioniert das Verfahren gut. Bei dynamischen Lasten und häufigen Lastwechseln bei niedrigen Drehzahlen ist die Hall-Sensor-Variante oder ein modernes Verfahren mit Hochfrequenz-Injektionsanregung überlegen.

Die Einsatzgebiete von BLDC- und EC-Motoren sind heute extrem breit:

• HVAC-Lüfter und Umwälzpumpen: Hier dominieren EC-Motoren wegen des hohen Wirkungsgrades über den gesamten Lastbereich. Im Vergleich zu klassischen Spaltpol- oder Asynchronmotoren sparen sie bei Teillast deutlich Energie.
• E-Bike-Antriebe: Mittel- und Nabenmotoren sind fast ausnahmslos BLDC-Motoren, meist als Außenläufer ausgeführt. Typische Leistungen liegen bei 250 W (EU-Pedelec) bis ca. 1000 W in den USA.
• Drohnen: Kleine, hochdrehende Außenläufer mit hoher kV-Konstante und sehr hohem Verhältnis von Leistung zu Gewicht.
• Werkzeugmaschinen-Spindeln: Bei kleineren Bearbeitungszentren und CNC-Fräsen kommen BLDC- und PMSM-Spindeln zum Einsatz, oft mit FOC-Sinuskommutierung für eine ruhige Bearbeitung.
• Elektrofahrzeuge: Im Antriebsstrang dominieren PMSMs mit FOC; in Nebenaggregaten wie Wasserpumpen, Lüftern, Sitzverstellung oder Heckklappenantrieben sitzen meist klassische BLDC-Motoren.
• Akku-Werkzeuge: Bohrmaschinen, Akkuschrauber und Schlagschrauber in höheren Preisklassen sind nahezu durchgängig auf bürstenlose Technik umgestiegen.

Im Vergleich zum klassischen Gleichstrommotor punktet der BLDC mit deutlich höherer Lebensdauer (keine Bürsten, kein Funkenschlag, kein Kommutator-Verschleiß), höherem Wirkungsgrad und geringerem Wartungsaufwand. Der Preis ist die nötige Elektronik. Im Vergleich zum Drehstrom-Asynchronmotor liegt der BLDC bei Wirkungsgrad und Leistungsdichte vorn, vor allem im kleinen und mittleren Leistungsbereich – beim Asynchronmotor kostet ihn der Rotor-Schlupf und der nötige Magnetisierungsstrom Verluste, die der BLDC nicht hat. Asynchronmotoren bleiben dort überlegen, wo Robustheit, einfache Direktnetzkopplung und niedriger Anschaffungspreis wichtiger sind als Spitzenwirkungsgrad – etwa bei großen Industrieantrieben mit konstantem Betriebspunkt.