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Bürstenlose Gleichstrommotoren mit und ohne Eisen elektronisch kommutiert

Die Nachfrage nach Motoren mit längerer Lebensdauer wächst in allen industriellen Bereichen. Kommt ein mechanisch kommutierter DC Motor diesbezüglich an seine Grenzen, wird es Zeit, die Anwendung auf bürstenlose Gleichstrommotoren umzustellen. Erst vor einem Jahr hat der Hersteller und Distributor kompakter, hochintegrierter, elektrischer Antriebe und Steuerungen KOCO MOTION bürstenlose Gleichstrommotoren in sein Portfolio aufgenommen. Heute bietet er bereits eine Produktpalette, die fast keine Wünsche offen lässt.

„Bürstenlose Gleichstrommotoren gibt es schon seit Ende der 70er Jahre, damals vornehmlich in Lüftern eingebaut. Mit der Miniaturisierung der elektronischen Bauteile setzten sie sich nach und nach auch bei vielen weiteren Anwendungen durch. Heute werden sie in großen Stückzahlen überall dort eingesetzt, wo es auf hohe Standzeiten ankommt“, so Gerhard Kocherscheidt, Geschäftsführer der KOCO MOTION GmbH in Dauchingen. „Wir haben sie im letzten Jahr bei uns eingeführt, weil der Markt verstärkt nach langer Lebensdauer und Wartungsfreiheit für diese Art von Antrieben fragt“, so Kocherscheidt.

Die Bezeichnung von bürstenlosen Gleichstrommotoren ist vielseitig: Brushless DC Motor, kurz BLDC- oder BL-Motor sowie auch electronically commutated Motor, kurz EC-Motor. Bei den bürstenlosen Gleichstrommotoren werden die mechanischen Kontakte in der Kommutierung, sprich die Bürsten, durch ein kontaktloses, elektronisches System ersetzt. Damit eliminiert man einige Nachteile und erhöht drastisch die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Motors, die nun hauptsächlich von der Standzeit der Wellenlagerung abhängen. Außerdem macht es diesen nun wartungsfreien Motoren nichts aus, wenn sie durch höhere Drehzahlen und kurzfristige Drehmomentspitzen überbelastet werden. Sie bieten hervorragende Eigenschaften zur Drehzahlregulierung und entwickeln nur geringe Störsignale. Zusätzlich eignen sie sich zum Betrieb in rauer Umgebung. Bei den bürstenlosen Gleichstrommotoren gibt es Ausführungen mit genutetem Blechpaket oder als nutenlose Konstruktion. Letztere sind eisenlos und bieten gegenüber eisenbehafteten Motoren zahlreiche Vorteile, die mit einem etwas höheren Preis erkauft werden: Es entstehen keine Rastmomente und Eisenverluste. Der Rotor hat eine geringere Massenträgheit, läuft leiser sowie vibrationsärmer und lässt sich besser positionieren.

Aufbau und Wirkungsweise

Bei den bürstenlosen Gleichstrommotoren erfolgt die Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter, sprich die Kommutierung, nicht mehr mechanisch über die Bürsten sondern elektronisch. Die aktiven Elemente sind hier umgekehrt angeordnet wie beim bürstenbehafteten Motor: Die Permanentmagnete sind fest mit dem Rotor bzw. Läufer verbunden, während die Wicklungen im Stator bzw. Ständer untergebracht sind. Beim Fließen eines elektrischen Stroms in den Wicklungen bildet sich im Stator ein Magnetfeldfeld heraus, welches die Permanentmagnete im Rotor entsprechend der Polarität anzieht. So entsteht eine Kraftwirkung, die ein Drehmoment am permanent erregten Rotor erzeugt. Nachdem der Rotor sich entsprechend dem im Stator erzeugten Magnetfeldes ausgerichtet hat, würde die Drehbewegung enden. Damit dies nicht passiert, muss der Stromfluss in den Wicklungen von einer elektrischen Schaltung so umgeschaltet werden, dass sich das erzeugte Magnetfeld weiterdreht. Bei den EC-Motoren werden üblicherweise Dreiphasensysteme eingesetzt.

Kommutierung des EC-Motors

EC-Motoren bieten die Möglichkeit, die elektronische Kommutierung in Abhängigkeit von Rotorposition und -drehzahl sowie Drehmoment auszuführen. Um Rotorposition und Drehzahl zu erfassen, gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Bei der sensorlosen Kommutierung erfolgt die Erfassung der Rotorposition über die in den Spulen des Stators induzierte Gegenspannung. Der Rotor startet in irgendeine Richtung, wobei die Elektronik im Nulldurchgang erkennt, ob es die richtige ist. Ist das der Fall, wird weiter beschleunigt. Dreht der Motor in die falsche Richtung, wird die Drehrichtung korrigiert und dann weiter beschleunigt. Diese Kommutierungsart eignet sich sehr gut für Dauerläufer bei hohen Drehzahlen wie sie bei Lüftern oder Propellerantrieben in Modellhubschraubern vorkommen.

Bei der sensorgesteuerten Kommutierung erfassen drei um 120 Grad versetzte Hallsensoren die Stellung des Rotors, indem sie entsprechende Schaltsignale geben. Entsprechend dieser Stellungsinformation werden über geeignete Leistungstreiber von der Steuerelektronik die Wicklungen angesteuert, die im Rotor ein Drehmoment erzeugen. Die sensorgesteuerte Kommutierung funktioniert auch bei sehr geringen Drehzahlen oder im Stand. Gewöhnlich werden bei dieser Kommutierung bei drei oder mehr Phasen nicht alle Phasen zugleich bestromt. Zumindest eine Phase bleibt hier zu jedem Zeitpunkt stromlos. Mit diesem Prinzip lassen sich hochdynamische Antriebe realisieren und die Drehzahl regeln. Positionierungen sind nur mit der groben Auflösung der Hallsensoren möglich. Die sensorgesteuerte Kommutierung ist beispielsweise prädestiniert für den Einsatz in kleinen Pumpen, Scannern oder Propellerantrieben.

Ein weiteres Prinzip ist die Kommutierung über Hallsensoren zusammen mit hochauflösenden Encodern: Diese Version benötigt eine aufwändigere Steuerung mit Lageregler. Mit ihr lässt es sich sehr genau entsprechend der Encoder-Auflösung positionieren und so hochdynamisch wie bei einem Servoantrieb regeln. Einsatzfälle für diese aufwändigste Art der Kommutierung finden sich zum Beispiel als Positionierantriebe in Mikroskopen und medizinischen Geräten sowie in Kartenlesern.

Für anspruchsvolle Applikationen bietet sich die Vektorregelung an. Im Gegensatz zum Betrieb am Dreiphasennetz passt sich hier nicht die Rotorlage passiv der Spannung und dem Drehmoment an, sondern die Spannungen aller Phasen aktiv an Rotorlage und gewünschtem Drehmoment. Dazu werden alle Phasen mit sinusförmiger Spannung angesteuert und zeitgleich bestromt.

Wunschlos-glücklich-Portfolio

In den letzten Monaten hat KOCO MOTION das Programm der Bürstenlosen DC-Motoren sukzessive ausgebaut und bietet nun elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren mit nutenlosem Stator sowie eisenbehaftete BLDC Motoren. Wie vielseitig das Portfolio ist, zeigen allein schon die Partner, mit denen die Dauchinger Antriebsspezialisten zusammenarbeiten: "Wir haben Exklusivverträge mit ausschließlich zertifizierten Firmen geschlossen wie Constar, Hengdrive, Dinko und Yunkong sowie eine Kooperation mit Leadshine. Unser aktuelles Produktprogramm bietet Lösungen für die meisten aller Anwendungsfälle", so der Geschäftsführer.

Eisenlose Gleichstrommotoren

„Eines unserer neuesten Produkte ist ein Miniatur-Servosystem, bestehend aus einem schlanken Brushless Servomotor mit Encoder und Planetengetriebe“, verweist der Geschäftsführer auf die auf der letzten SPS IPC Drives erstmals vorgestellte Innovation. Der Miniatur-Servomotor misst nur 12 mm im Durchmesser und erreicht eine Dauerleistung von 1,1 W. Der Encoder hat 256 Linien, 2 Kanäle und Null Index. Das Planetengetriebe ist für ein zulässiges Dauerdrehmoment von bis zu 0,2 Nm ausgelegt. Anwendung findet das neue Antriebssystem bereits in medizinischen Geräten wie dem Multilamellenkollimator – ein Gerät, das in der Strahlentherapie an einem Linearbeschleuniger angebracht wird, um den Behandlungsstrahl an die Form des zu behandelnden Objektes anzupassen.

Das Portfolio vom Fertigungspartner Constar, einem Entwickler und Hersteller von DC-Glockenläufern, bürstenlosen Gleichstrommotoren sowie kundenspezifischen DC-Motoren, umfasst nun elf Baureihen und reicht von 10 mW bei einem Durchmesser von 4 mm bis 100 W bei einem Durchmesser von 75 mm. Die Leerlauf-Drehzahlen betragen 4000 bis 50.000 min^-1. Die eisenlosen- oder auch Slotless BLDC Motoren gibt es mit mechanischer und elektronischer Kommutierung. Die bürstenlosen Motoren mit nutenlosem Stator sind meist 3-phasig ausgeführt. Es gibt sie mit und ohne Hall-Sensoren. Bei der Ausführung ohne die Hall-Sensoren nutzt man die Elektromagnetische Kraft (EMK) zur Drehzahlerkennung. Wurden sie mit Hall-Sensoren und /oder mit Encoder ausgestattet eignen sie sich für Anwendungen, die eine Drehzahl- und Drehrichtungsumkehr erfordern sowie zur Positionierung.

Außer in medizinischen Geräten sind solche bürstenlosen Gleichstrommotoren in Instrumentenbau, elektrischen Werkzeugen, kleinen Haushaltsgeräten sowie Flug - und Schiffsmodellen zu finden.

Eisenbehaftete Gleichstrommotoren

Das Eisenanker-BLDC-Motoren-Programm kommt exklusiv von dem chinesischen Hersteller Hengdrive. Es umfasst zehn Modelle im Durchmesserbereich 16 bis 68 mm mit Längen von 18 bis 72 mm. Die Nennspannungen von 6 bis 48 V und 220 V AC ermöglichen Abgabeleistungen von 0,5 bis 67 W. Ausgestattet mit integrierter Elektronik zur stufenlosen Regelung der Geschwindigkeit von 0 bis 100 % mittels einer PWM (Puls-Weiten-Modulation) oder über das Encoder-Signal sind die BLDC-Motoren reversierbar. Zudem verfügen die meist 3-phasig ausgeführten Motoren über eine Schnell-Bremsfunktion und bieten einen hohen Wirkungsgrad. Dank der einfachen Konstruktion sind die Hengdrive-Motoren sehr preisgünstig. Zudem bieten sie eine hohe Lebensdauer von über 10.000 Betriebsstunden und weisen EMV-freundlich so gut wie keine elektromagnetische Störbeeinflussung auf. Sie funktionieren einfach in ihrer Drehrichtungsumkehr und laufen sehr geräusch- und vibrationsarm. Die eisenbehafteten BLDC Motoren von Dinko vervollständigen das Programm. Mit Flanschmaßen von 42 bis 130 mm bieten sie Leistungen von 20 bis 500 W und sind alle mit Hallsensor und Kugellagern ausgerüstet.

Die Applikationsmöglichkeiten für die Eisenanker-BLDC-Motoren sind unvorstellbar vielseitig: Beispielsweise eignen sie sich für kleine Antriebsaufgaben in Haushalt-, medizinischen und Körperpflege-Geräten. Die Liste lässt sich zahlreich fortführen mit Anwendungen in Automotive, Bürotechnik, Instrumentation, Pumpen, Lüftern oder Sicherheits- und Überwachungssystemen sowie der Computertechnik.

Bilder:

Bild oben: BLDC-Außenlüfter



BLDC-Innenläufer


BLDC-Miniatur-Servosystem



Eisenbehaftete BLDC Motoren


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Kontakt:

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Niedereschacher Str. 54
78083 Dauchingen                                                                     

Tel.: 07720 / 995 858-0, Fax: 07720 / 995858-9                                                  

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