Permanentmagnet-Gleichstrommotoren kleiner Leistung im Bereich bis etwa 500 Watt gibt es in vielen Ausführungen: mit Bürsten oder bürstenlos, Wicklung mit oder ohne Eisenkern, wenige oder viele Magnetpole, unterschiedliche Magnetmaterialien, flache oder lange schlanke Bauform. Für den Anwender stellen sich bei der Auswahl so einige Fragen: Welche Technik wird den Anforderungen einer bestimmten Anwendung am besten gerecht? Wann macht die Verwendung eines bürstenlosen Motors Sinn? Wann kommen mehrpolige Flachmotoren zum Einsatz? Welche Motoren eignen sich für hohe Drehzahlen? Welche Technik ist geeignet für besondere Anwendungsbedingungen wie hohe Temperatur oder im Vakuum? Bei den Antworten soll die folgende Übersicht helfen.
Drehzahl oder Drehmoment?
Motoren für hohe Drehzahlen sind eher schlank. Der kleine Durchmesser ermöglicht es, die Massenträgheit und die Unwucht klein zu halten bei gleichzeitig großem Lagerabstand. Beides ist wichtig für geräusch- und vibrationsarmen Lauf. Typische Anwendungen für solche hochdrehenden Motoren sind Bohrer, Fräser und Ventilatoren. Die schlanke Bauform passt vorteilhaft in Handgeräte.
Die Anzahl Magnetpole dieser Motoren ist klein mit moderaten Drehmomenten. Je mehr Magnetpole ein Motor aufweist, umso höher ist in der Regel das Drehmoment aber umso kleiner sind die möglichen Drehzahlen. Mehrpolige Motoren weisen meist genutete Wicklungen auf, um den Magnetfluss präziser zu fokussieren. Je größer der Durchmesser, umso mehr Magnetpole lassen sich unterbringen – oft bei verkürzter Baulänge bis hin zu einer Ausführung als Außenläufer-Flachmotor. Viele Pumpen sind Anwendungsbeispiele für diese Motorencharakteristik. Eine extrem dynamische Designvariante ist der mehrpolige Innenläufer, der ein hohes Drehmoment bei gleichzeitig kleinem Massenträgheitsmoment aufweist.
Pick&Place-Anwendungen verwenden solche mehrpoligen Innenläufer.
Eine noch höhere Anzahl an Magnetpolen – damit verbunden ist ein größerer Durchmesser – führt zu Multipol-Direktantrieben (Torquemotoren) für extrem hohe Drehmomente. Direktantriebe erlauben eine steife Regelung, da keine zusätzlichen mechanischen Komponenten bewegt werden müssen und deren Spiel und Elastizitäten wegfallen. Direktantriebe werden meist spezifisch in die Anwendung integriert mit entsprechend hohen Kosten.
Mit oder ohne Bürsten?
Mit Bürsten oder bürstenlos ist primär eine Frage der Lebensdauer. Für Motoren mit Bürsten können bis zu einige tausend Stunden erwartet werden. Die Lebensdauer ist schwierig abzuschätzen und muss meist experimentell ermittelt werden. Viel hängt von den Einsatzbedingungen ab: Hoher Strom, hohe Drehzahl, Drehrichtungsumkehr und Vibrationen reduzieren die Lebensdauer. Es gibt aber viele Anwendungen, wo ein paar tausend Betriebsstunden völlig ausreichen. Vor allem, wenn der Motor nicht dauernd läuft. Antriebe in Verkaufsautomaten sind für mehrere Millionen Zyklen ausgelegt, was mit bürstenbehafteten Motoren realisiert werden kann.
Bei bürstenlosen Motoren ist die Lebensdauer des Motors durch die Kugellager bestimmt. Diese sind auf einige zehntausend Stunden ausgelegt, wie sie in vielen industriellen Anwendungen gefordert sind. Beispielsweise kommen in Schweißrobotern bürstenlose Gleichstrommotoren zum Einsatz, meist in mehrpoliger Ausführung zur Erzeugung der benötigten hohen Drehmomente.
Das Bürstensystem erlaubt selten Drehzahlen von mehr als 10 000 Umdrehungen pro Minute (UpM). Darüber muss mit einer stark reduzierten Lebensdauer gerechnet werden. Auch nehmen die Geräusche massiv zu. Bürstenlose Gleichstrommotoren hingegen können bei viel höheren Drehzahlen betrieben werden, in einigen Fällen bis 100 000 UpM. Damit sind sie perfekt für Bohrer, Schleifer und Ventilatoren geeignet.
Spezielle Umweltbedingungen
Wo liegen die Vorteile, wenn ein Gleichstrommotor auf spezielle Umgebungsbedingungen angepasst werden muss? Denken wir an Vakuum-Anwendungen oder extreme Temperaturen, oder auch an die Möglichkeit zur Sterilisation im Autoklaven. Bürstenmotoren können in besonderen Anforderungen zu Komplikationen führen. Das Bürstenfeuer erzeugt elektromagnetische Emissionen und muss eventuell gedämpft werden. Graphitbürsten geben Graphitstaub ab, der Reinräume, Hochvakuum oder optische Geräte verunreinigen kann. Edelmetallbürsten werden geschmiert, was sie ebenfalls für den Einsatz im Fein- oder Hochvakuum ungeeignet macht.
Die meisten Motoren für spezielle Umgebungsbedingungen sind deshalb bürstenlos. Man denke an sterilisierbare Motoren oder die Heavy Duty Maxon Motoren, welche speziell für die Tiefenbohrung angepasst sind. Sie halten hohe Drücke und Vibrationen, sowie Temperaturen über 200 °C aus und können in Öl betrieben werden. Mit einem bürstenbehafteten Motor wäre dies nicht zu realisieren. Der robuste Aufbau aus rostfreiem Stahl ermöglicht auch den Einsatz in Ultrahochvakuum-Anwendungen. Insbesondere ertragen die Motoren die vorausgehende Reinigung und das Ausgasen bei hohen Temperaturen.
Ansteuerung
Wenn es um den Betrieb geht, gibt es wahrscheinlich keinen einfacheren Motor als den Gleichstrommotor mit Bürsten. Das Anlegen einer Gleichspannung reicht aus und der Motor dreht. Bürstenlose Gleichstrommotoren benötigen eine elektronische Kommutierung, was zusätzlich Kosten generiert. Zusätzlich sind für die Kommutierung Lage-Sensoren im Motor nötig, was den Verkabelungsaufwand vergrößert. Sobald aber Drehzahl- oder Positionsregelung gefordert ist, sind Aufwand und Kosten in etwa ähnlich, egal ob der Motor mit oder ohne Bürsten ausgeführt ist.
Wicklung mit oder ohne Eisenkern?
In konventionellen DC-Motoren wird die Wicklung um einen genuteten Eisenkern ausgeführt, um den magnetischen Fluss zu konzentrieren. Eisenlose Motoren basieren auf einer Wicklung, die als Hohlzylinder ohne Eisenkern ausgestaltet ist. Im Hohlraum lassen sich die stärksten Permanentmagnete verwenden, was die eisenlosen Motoren kompakter und leichter macht. Die kleinere Massenträgheit des Rotors in Kombination mit dem hohen Drehmoment ergibt extrem dynamische Motoren mit mechanischen Zeitkonstanten von wenigen Millisekunden. Dies ist zum Beispiel in Roboterarmen von Vorteil, wo eisenlose Motoren mit hoher Leistungsdichte in den Gelenken für Bewegung sorgen.
Motoren mit Wicklungen ohne Eisenkern haben kein Rastmoment und zeigen bei tiefen Drehzahlen ein sehr gleichmäßiges Laufverhalten. Bei höheren Drehzahlen erzeugen eisenlose Wicklungen weniger Vibrationen und Geräusche. Gerade in medizinischen Anwendungen ist dies vorteilhaft. Bei Operationsrobotern ist eine gleichmäßige rastmomentfreie Bewegung essentiell, ebenso für die Kraftrückwirkung in haptischen Systemen. Einer der wichtigsten Vorteile von eisenlosen Motordesigns ist die starke Verminderung der Eisenverluste. Vorteilhaft ist dies in Batterie betriebenen medizinischen Handgeräten, wo ein hoher Wirkungsgrad und kleine Erwärmung gefordert sind.
Kompakter Überblick
Bürstenlose Motoren haben Vorteile gegenüber Motoren mit Bürsten bezüglich Lebensdauer, hohe Drehzahlen und Anpassung auf Umweltbedingungen. Allerdings haben Motoren mit Bürsten in Anwendungen, wo Kosten und einfache Ansteuerung wichtig sind, noch immer ihre Berechtigung. Eine eisenlose Wicklung macht Sinn in Anwendungen, wo es auf hohen Wirkungsgrad, kleine Erwärmung ankommt und wo Baugröße und Gewicht möglichst klein sein sollten.
Als Alternative für vielpolige Direktantriebe mit hohem Drehmoment bieten sich Motor-Getriebe-Kombinationen aus Standardkomponenten an. Die Kosten betragen oft nur einen Bruchteil eines Direktantriebs bei gleichzeitig hoher Variantenvielfalt.
