Wie funktioniert der Motor eines Elektrorollers?

Da Europa plant, bis 2040 eine 'Carbon Neutral Economy' zu werden, ist die Zukunft der Mobilität elektrisch.

Von den verschiedenen Elektrofahrzeugen, die es heute gibt, bieten Elektroroller die vielversprechendste Lösung. Abgesehen davon, dass sie umweltfreundlicher sind als andere elektrische Transportalternativen, sind sie aufgrund ihrer Tragbarkeit und kompakten Größe ideal für den städtischen Pendlerverkehr (und definitiv eine Zukunftsfahrt!).

Heute werden wir versuchen, den Funktionsmechanismus dieses erstaunlichen Fahrgeschäfts zu erklären.

Ein Elektroroller wird, wie der Name schon sagt, mit Strom betrieben. Er hat eine Batterie, die elektrische Energie speichert, die dann von einem Motor in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Das Hauptarbeitsteil bzw. das Triebwerk eines Elektrorollers ist sein Motor.

Versuchen wir zu verstehen, wie es funktioniert!

Wie funktioniert der Motor eines Elektrorollers?

Von der Beschleunigung über die Höchstgeschwindigkeit bis hin zur Steigfähigkeit - der Motor eines Elektrorollers bestimmt fast alle Aspekte seiner Leistung. 

Bevor wir einen Blick auf die Funktionsweise und Typen von ElektromotorrädernLassen Sie uns sehen, was die wichtigsten Dinge sind, die wir von ihnen erwarten können.

Was Sie von einem Elektroroller-Motor erwarten können

Ein Elektroroller-Motor muss haben genügend Anfahrmoment, um den Scooter aus dem Stillstand zu bewegen.

Let's Kick via Unsplash

Es muss eine ausreichende Leistung haben, um Sie zu bringen, wo immer Sie wollen, sei es ein bergauf Ort. Es muss auch steuerbar sein, um die Geschwindigkeit Ihres Rollers je nach Bedarf zu variieren.

Am wichtigsten ist, dass es zuverlässig und langlebig ist, um eine lange Zeit zu halten.

Typen von Elektro-Scooter-Motoren

Es gibt zwei gängige Motortypen, die in Elektroscootern verwendet werden. Sie sind:

• Gebürstete DC-Motoren. 
• Bürstenlose DC-Motoren.

Schauen wir uns an, wie jede von ihnen funktioniert und welche Vorteile die eine gegenüber der anderen hat.

Bürstenbehafteter DC-Motor

Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor ist ein Motor, bei dem der elektrische Strom über ein Bürstenpaar an die Elektromagnetspulen auf dem Rotor geliefert wird. Das Hauptmerkmal dieses Motors ist, dass der Strom dem Teil des Motors zugeführt wird, der sich dreht.

Dieser Motortyp wurde bereits im frühen 19. Jahrhundert entwickelt und ist vor allem wegen seiner geringen Kosten und einfachen Bedienung beliebt.

Hier ist ein Diagramm eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors, das Ihnen helfen kann zu verstehen, wie dieser Motor funktioniert. 

Innere Teile eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors über Galco

Funktionsteile eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors 

Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor besteht aus den folgenden Teilen:

Die Bürsten bestehen aus einem leitfähigen Material, das nicht abrasiv ist. Sie sollen den Strom von der Quelle (der Batterie des Rollers) zur elektromagnetischen Spule des Rotors leiten. Dadurch ist es möglich, dass die elektromagnetischen Spulen des Rotors auch dann mit Strom versorgt werden, wenn sie sich in Bezug auf die Bürsten drehen.

Die Kommutator besteht in der Regel aus Kupfer oder einem anderen gut leitenden Metall. Er nimmt den Strom von den Bürsten auf und leitet ihn zu den elektromagnetischen Wicklungen des Rotors weiter. Für jede Spule im Motor gibt es zwei Kommutatorkontakte.

Die Armatur, auch Rotor genannt, ist der Teil des Motors, der sich dreht und die elektrische Energie in kinetische Energie (Bewegung) umwandelt. Er ist mit einer Reihe von Drahtspulen umwickelt, die das Magnetfeld erzeugen, das die Welle des Motors dreht.

Die Stator ist das Gehäuse des Motors, in dem sich ein Permanentmagnet befindet. Dieser Magnet liefert das Magnetfeld, das mit dem Magnetfeld der Elektromagneten des Rotors interagiert, um den Rotor zu drehen. Einige Gleichstrommotoren können einen Elektromagneten im Stator haben. Bei solchen Motoren bezieht der Elektromagnet des Stators Strom aus der gleichen Quelle wie die Spulen des Rotors.

Die Welle ist der Ausgangsteil des Motors, in dem die Energie genutzt wird, um Arbeit zu verrichten, d.h. um das Rad eines Rollers zu drehen.

Was passiert, wenn Sie einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor einschalten?

Wenn Sie einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor einschalten, geschieht die folgende Abfolge von Ereignissen: 

• Der elektrische Strom fließt von den Bürsten in den Kommutator und dann in die Wicklungen des Elektromagneten des Rotors. 
• Dadurch wird im Rotor ein Magnetfeld induziert, das mit dem Magnetfeld der Permanentmagnete der Statorbaugruppe interagiert.
• Die Wechselwirkung dieser Magnetfelder bringt den Rotor zum Rotieren und wandelt die elektrische Energie der Quelle in Rotationsenergie um.

Dabei ist zu beachten, dass das Magnetfeld der Wicklungen des Rotors alle 180 Grad der Drehung die Richtung ändert. Um die Drehrichtung konstant zu halten, kehrt der Kontakt zwischen dem Kommutator und den Bürsten alle 180 Grad die Flussrichtung des Stroms um.

Weiß über Unsplash

Außerdem ändert sich die Richtung der magnetischen Krafteinwirkung auf den Rotor, wenn er sich dreht. Dies bedeutet, dass der Motor an verschiedenen Punkten der Drehung unterschiedliche Drehzahlen aufweist. Dies wird durch mehrere Spulen im Rotor kompensiert, so dass der Motor immer eine gleichmäßige Drehzahl und Drehmomentabgabe hat.

Was bestimmt die Leistungsabgabe eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors? 

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Elektrorollermotors ist seine Leistungsabgabe. Da die Leistung in jedem elektrischen System das Produkt aus Spannung und Strom ist, bedeutet dies, dass eine Erhöhung einer dieser beiden Größen den Motor leistungsstärker macht. 

Um einen Motor leistungsfähiger zu machen, können die Wicklungen auf dem Rotor vergrößert werden, so dass mehr Strom durch sie fließt. Eine Erhöhung der Eingangsspannung erhöht auch die Ausgangsleistung eines Gleichstrommotors. Darüber hinaus kann die Verwendung von stärkeren Magneten die Leistung des Motors ebenfalls erhöhen.

Vor- und Nachteile von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren

Bürstenbehaftete DC-Motoren haben bestimmte Vorteile gegenüber bürstenlosen Motoren. Dazu gehören:  

• Geringe Kosten.
• Höheres Drehmoment über einen größeren Bereich von Rotordrehzahlen.
• Sanfte Bewegung bei niedrigen Geschwindigkeiten.
• Gute Drehzahlregelung.
• Kann wiederaufgebaut werden.
• Funktioniert besser in allen Arten von Umgebungen.
• Benötigt bei Betrieb mit konstanter Drehzahl keinen Controller.

Allerdings gibt es auch bei bürstenbehafteten DC-Motoren einige Einschränkungen. Dazu gehören: 

• Geringere Lebensdauer durch den Festkörperkontakt zwischen Kommutator und Bürsten.
• Höheres Betriebsgeräusch. 
• Hohes Rotorträgheitsmoment.
• Elektromagnetische Störungen durch Bürstenüberschläge.

Bürstenlose DC-Motoren 

Die meisten Elektroroller verwenden heutzutage stattdessen einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Dies liegt vor allem daran, dass diese Motoren in die Nabe des Rades passen und nicht am Rahmen montiert werden müssen. 

Ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) hat, wie der Name schon sagt, keine Bürsten zur Stromführung. Er hat ein völlig anderes Design und Arbeitsprinzip im Vergleich zu einem bürstenbehafteten Motor. Dieser Motortyp wurde in den 1970er Jahren entwickelt und ist vor allem wegen seiner langen Lebensdauer und der geringeren Geräuschentwicklung sehr beliebt.

Hier sehen Sie ein Diagramm der internen Teile eines BLDC-Motors:

Bürstenloser DC-Motor über Renesas

Es gibt zwei Hauptfunktionsteile eines BLDC-Motors. Sie sind:

• Der Rotor, der ein Dauermagnet ist und sich im Inneren des Stators befindet. 
• Der Stator, der mit elektromagnetischen Spulen bestückt ist.

Einige BLDC-Motoren können feste Elektromagnetspulen in der Mitte und am Stator angebrachte Permanentmagnete haben. Bei solchen Motoren ist der Stator das, was sich dreht.

Wie funktioniert ein bürstenloser DC-Motor?

Das Funktionsprinzip eines BLDC-Motors ist einfach: Sie versorgen die Statorspulen mit elektrischem Strom und das daraus resultierende Magnetfeld dreht den Rotor, der ein Permanentmagnet ist. Wie Sie feststellen können, drehen sich die Spulen des BLDC-Motors nicht, es gibt keine Notwendigkeit für Bürsten und einen Kommutator in einem solchen Motor. 

Wenn die Spulen jedoch fest eingebaut sind, wie ändern Sie dann die Polarität des Elektromagneten, die erforderlich ist, um die Drehung des Motors unidirektional zu halten? Dies wird durch den Einsatz eines Controllers erreicht.

Der Controller arbeitet entweder mit einem Rotorpositionssensor oder mit Hilfe von Magneten am Körper des Motors. Hier ist der Unterschied zwischen diesen beiden Arten von Controllern:

• Sensorbasierte BLDC-Steuerungen: Am Rotor ist ein Sensor angebracht, der seine Position zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmt. Diese Positionsdaten werden dann an den Controller gesendet. Der Controller sendet Strom mit bestimmter Polarität an bestimmte Spulen, um sicherzustellen, dass sich das Magnetfeld immer in einer Position befindet, die den Rotor in die richtige Richtung dreht.
• Sensorlose BLDC-Steuerungen: Bei diesem Ansatz werden Elektromagnete auf dem Körper des Motors platziert. Die Drehung des Rotors induziert einen elektrischen Strom in diesen Elektromagnetspulen. Die Intensität und die Richtung dieses Stroms sagen dem Regler, dass er bestimmte Spulen am Stator erregen soll, um den Motor zu drehen.

Die Notwendigkeit eines Reglers macht einen BLDC-Motor im Vergleich zu einem bürstenlosen Motor von Natur aus kompliziert. BLDC-Motoren haben jedoch eine Reihe von Vorteilen, die sie für viele Anwendungen, insbesondere für den Einsatz in Elektrorollern, geeignet machen.

Kelly Sikkema via Unsplash

Faktoren, die die Leistungsabgabe eines BLDC-Motors beeinflussen

Die Leistungsabgabe eines BLDC-Motors hängt von Folgendem ab:

• Der Widerstand und damit der Strom, der von den Spulen des Stators aufgenommen wird.
• Die Stärke des Permanentmagneten, der für den Rotor verwendet wird.
• Die Spannung, die an die Spulen des Stators geliefert wird.

Vor- und Nachteile eines BLDC-Motors

BLDC-Motoren, die auch in ebikessind besser als ihre gebürsteten Gegenstücke, weil sie: 

• sind kompakt in der Größe.
• Haben ein höheres Anlaufmoment.
• Bieten eine bessere Drehzahlregelung.
• Sind effizienter.

All das hat jedoch seinen Preis. Es gibt auch einige Nachteile von BLDC-Motoren, wie z. B.:

• Sie kosten mehr als Bürstenmotoren.
• Die Verdrahtung eines bürstenlosen Motors ist aufgrund der Verwendung von elektronischen Reglern kompliziert.
• Diese Motoren benötigen auch bei Verwendung mit konstanter Drehzahl einen Controller.

Das bringt uns zu der nächsten Frage; welche Art von Motor ist besser für einen Elektroroller? 

Welche Elektro-Roller-Motor ist für Sie geeignet?

Die Antwort darauf hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Der wichtigste von ihnen sind die Kosten. Danach kommt der Faktor Zuverlässigkeit und Komplexität. Aber am Ende kommt es auf Ihre persönliche Entscheidung an. Wie bereits erwähnt, haben beide Motortypen ihre eigenen Vor- und Nachteile.

Paulo Victor via Unsplash

Eine Elektroroller mit BLDC-Motor kann eine bessere Option für Sie sein, wenn: 

• Sie wollen einen Scooter mit geringem Geräuschpegel.
• Sie wollen den Scooter sehr oft benutzen und das Alter des Motors macht Ihnen Sorgen.
• Die Kosten sind für Sie kein Thema, und Sie können es sich leisten, mehr zu bezahlen. 
• Sie möchten eine feinere Steuerung der Drehzahl des Motors.
• Sie möchten einen Motor mit hohem Drehmoment im unteren Drehzahlbereich, um Steigungen bei niedrigen Geschwindigkeiten zu bewältigen.

Auf der anderen Seite können Sie für einen Elektroroller mit einem gebürsteten DC-Motor gehen, wenn:

• Sie wollen einen Scooter zu einem günstigeren Preis.
• Das Alter des Motors ist für Sie kein Thema.
• Sie wollen eine einfachere Verkabelung und Elektronik in Ihrem Scooter.

Unser Urteil über den Elektro-Roller-Motor

Wenn Sie uns fragen, würden wir sagen, dass ein bürstenloser Gleichstrommotor immer die bessere Wahl für jede Automobilanwendung einschließlich Elektroroller ist. Das liegt daran, dass diese Motoren keine Wartung benötigen und leiser laufen. Außerdem sind sie effizienter und haben eine feinere Kontrolle über die Geschwindigkeit und das abgegebene Drehmoment.