Kleine Elektromotoren stecken in einer Vielzahl von Anwendungen, auch in der Industrie. (Bild: Helmut Lunghammer)
Kleine Elektromotoren stecken in einer Vielzahl von Haushaltsgeräten, Werkzeugen und Computern sowie in modernen Autos, wo sie Hilfsaggregate wie Pumpen und Lüfter antreiben. Einzeln betrachtet verbraucht jeder dieser Motoren nicht viel Energie, in ihrer Summe bieten sie aber viel Einsparpotenzial.
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Das Forschungsteam des kürzlich erfolgreich beendeten „CD-Labors für Bürstenlose Antriebe für Pumpen- und Lüfteranwendungen“ unter der Leitung von Annette Mütze vom Institut für Elektrische Antriebe und Leistungselektronische Systeme der TU Graz hat dieses Potenzial nun weiter erschlossen: Durch innovatives Design, veränderte Regelungstechnik und Einsatz neuer Herstellungstechniken verbrauchen die hier weiterentwickelten bürstenlosen integrierten Antriebe weniger Strom, arbeiten leiser und werden leichter.
Wie reduzieren schräge Klauen die Vibrationen?
Größere Klauenpolmotoren werden etwa in Lichtanlagen von Fahrzeugen eingesetzt. Weniger bekannt ist ihr Einsatz als Kleinantriebe. Das Team um Annette Mütze hat die so genannten Rastmomente dieser Kleinantriebe durch Schrägen und Nuten in den Klauen reduziert, ohne dass zusätzliche Kosten entstehen. Das kurzzeitige Einrasten der Klauen beim Drehen des Motors und damit unerwünschte Vibrationen werden so reduziert. „Damit konnten wir eine wichtige Lärmquelle um 70 Prozent reduzieren. Die Antriebe laufen dadurch deutlich ruhiger und wesentlich leiser“, sagt Annette Mütze.
Wie vereinfacht die neue Regelungstechnik den Stromfluss?
Effizienzgewinne werden durch eine vereinfachte Regelung des Stromflusses erzielt. Üblicherweise wird der Strom, der einen Lüfter- oder Pumpenmotor antreibt, durch die Pulsweitenmodulation eines Gleichstroms geregelt. Damit der Strom in der gewünschten Rechteckform fließt, sind viele Schaltvorgänge nötig, die zusätzlichen Energieverbrauch verursachen.
„Wir schalten unsere Antriebe nur einmal pro gewünschtem Rechteck ein und aus“, sagt Annette Mütze. „Dadurch konnten wir den zusätzlichen Energieverbrauch durch Schaltverluste enorm reduzieren.“ Gerade bei kleinen Strömen haben die Antriebe daher einen deutlich besseren Gesamtwirkungsgrad als Antriebe, die mit herkömmlicher Pulsweitenmodulation gesteuert werden. Wegen der drastisch reduzierten Schaltzahl kommen die Motorplatinen zudem mit halb so vielen Kondensatoren aus, was die Kosten senkt.
Was bringt der 3D-Druck bei Ferritkernen für Kleinmotoren?
Als dritte Innovation ist es gelungen, PCB-Motoren mit Ferritkernen zu realisieren. „PCB“ steht für „Printed Circuit Board“ und bedeutet im Fall der Motoren, dass die Wicklungen, die das für den Antrieb notwendige Magnetfeld erzeugen, in Form von gedruckten Leiterplatten ausgeführt sind. Das ermöglicht einen hohen Automatisierungsgrad in der Fertigung. Das Team um Annette Mütze stattete die Leiterplatten mit 3D-gedruckten Ferritkernen aus und verbesserte so die Führung des magnetischen Flusses in den Motoren. Dies war die Voraussetzung für den Einsatz kostengünstigerer Magnete, die ebenfalls auf Ferrit basieren.
