Kosten-/nutzenorientierte Gleichstrommotoren mit und ohne Bürsten

Vor ein paar Jahren noch gar nicht vorhanden, nimmt der Anteil der Gleichstrommotoren (DC) mittlerweile 70 Prozent am gesamten Portfolio des Spezialisten für elektrische Antriebe und Motion-Control-Produkte Koco Motion ein – mit steigender Tendenz. Inhaber Gerhard Kocherscheidt begründet das Wachstum der kleinen Alleskönner so: „Das Potenzial für alle Arten an Gleichstrommotoren ist so riesig. Die bürstenlosen Motoren beispielsweise werden immer langlebiger und günstiger. Während sich die Baugrößen verkleinern, nimmt ihre Leistung zu.“ Und so verwundert es nicht, dass auch die möglichen Einsatzfälle immer vielfältiger werden. Schließlich deckt das DC-Motorenprogramm den Leistungsbereich von 0,06 bis 1670 Watt ab. Der Hersteller bietet verschiedene Arten an Gleichstrommotoren im Durchmesserbereich von vier bis 130 Millimetern – unterteilt in bürstenbehaftete und bürstenlose Motoren.

Die Anforderungen an Lebensdauer und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sowie die Schaltzyklen entscheiden darüber, ob ein bürstenloser oder bürstenbehafteter DC-Motor als optimaler Antrieb in Frage kommt. Bürstenbehaftete Motoren sind als Eisenankermotoren oder eisenlos ausgeführt. Eisenlose DC-Motoren verfügen über eine freitragende Wicklung mit Edelmetall- oder Kupferkohle-Kommutierung. Komplettiert mit einem Encoder und einem Planetengetriebe können sie als Servosystem genutzt werden. Solche Kleinstmotoren eignen sich besonders für batteriebetriebene Anwendungen. Kombiniert man Eisenanker-DC-Motoren mit einem Planetengetriebe, erhält man ein hohes Anlaufmoment. Mittels kugelgelagertem Rotor werden hier mögliche Radialkräfte aufgenommen und so die Lebensdauer des Antriebs verbessert. Die Mechanische Kommutierung verfügt über drei bis 13 Segmente. Die Bürsten unterscheiden sich in der Materialauswahl wie Kupfer/Kohle oder Edelmetall.

Bürstenlose, auch BLDC-Motoren genannt, sind sehr verschleißarm und bieten somit eine hohe Lebensdauer. Die BLDC-Motoren werden in zwei Bauformen angeboten: als Innenläufer und als Außenläufer. Während Innenläufer eine größere Leistungsdichte bieten, ist das Trägheitsmoment beim Außenläufer deutlich höher als bei einem baugleichen Innenläufer. Die jeweils eingesetzte Bauform hängt schließlich vom zur Verfügung stehenden Bauraum und der benötigten Performance ab, die die Anwendung erfordert. Bürstenlose DC-Motoren gibt es mit und ohne Hallsensoren. Sie sind besonders langlebig, kompakt und kostengünstig. Hohe Zuverlässigkeit auch bei hohen Drehzahlen sowie gutes Regelverhalten sind die besonderen Eigenschaften dieser Motorentechnologie. Auch hier besteht die Möglichkeit der Aufrüstung mit Encoder und Planetengetriebe – fertig ist das Servosystem. Die bürstenlosen DC-Motoren mit integrierter Elektronik sind eine kostengünstige Lösung für Einsatzgebiete, die eine lange Lebensdauer erfordern. Durch Ihren sehr kompakten Aufbau und die integrierte Elektronik finden sie auch in den kleinsten Bauräumen Platz. Mittels der stufenlosen Drehzahleinstellung lässt sich nahezu jede Geschwindigkeit einstellen.

Auf der SPS IPC Drives hat der Hersteller zwei neue leistungsstarke eisenlose Antriebe vorgestellt, die die bisherigen Größen im Durchmesserbereich von vier bis 25 Millimetern nach oben ergänzen. Die neuen Glockenanker-DC-Motoren im Durchmesserbereich von 30 und 32 Millimetern verfügen über eine robuste Kupfer-Kohle-Kommutierung und bieten Spitzenleistungen von bis zu 200 Watt. Durch die eisenlose Wicklung können die Motoren sehr schnell beschleunigen und erzielen hohe Standzeiten bei Wirkungsgraden von bis zu 90 Prozent. Der DC-Motor 3068 bringt bei nur 30 Millimetern Durchmesser und 68 Millimetern Baulänge eine Spitzenleistung von bis zu 200 Watt bei einer Drehzahl von 4000 min-1 auf. Der DC-Motor 3257 bietet bei 24 Volt eine Leistung von 85 Watt. Beide Neuankömmlinge eignen sich besonders für den Einsatz in batteriebetriebenen Anwendungen wie beispielsweise in Werkzeugen, medizintechnischen Handgeräten, in der Automatisierung oder in Smart Home-Produkten.

„Was auch immer es ist, wir legen die Antriebe nach den Vorgaben und Anforderungen der Anwendung aus“, stellt der Geschäftsführer Olaf Kämmerling seinen Kunden in Aussicht. „Dabei legen wir Wert auf die Lagerung sowie die Belastung der Motorwelle durch Unwucht oder hohe Drehzahlen.“ Bezogen auf den Anwendungsfall wird so das beste Verhältnis zwischen Durchmesser der Motorwelle und Schwungmasse ermittelt. „Selbstverständlich schauen wir parallel immer darauf, eine kosten-/nutzenorientierte Lösung zu erarbeiten“, ergänzt Olaf Kämmerling und weiter: „Wir bieten unzählige Grundmodelle mit einer Vielzahl an Modifikationen durch Encoder, Getriebe, Kabel, Stecker, Wellen, Bremsen, Steuerungen oder Sensorik.“ Anwendungen finden sich beispielsweise in Elektroschlössern, Drohnen, Smart-Home-Produkten, Medizintechnik, Spielwaren, Pumpen, Sonder-, Verpackungs-, Etikettiermaschinen oder Nivelliergeräten, Laserscannern, Druckern sowie in Pumpen, um bei dieser Vielzahl doch nur einige zu nennen.

Die Ansteuerungen der BLDC-Motoren kann für sensorlose Motoren oder für Motoren mit Hallsensoren erfolgen. Verschiedene Elektroniken lassen sich hierfür kunden- und projektbezogen anpassen. So kann beispielsweise die Drehzahlregelung über ein PWM- (Puls-Weiten-Modulation) oder Analogsignal erfolgen. Auch die Steuerspannung lässt sich kundenspezifisch anpassen und es kann mit fester Drehzahl gearbeitet oder die Steuerung in den Antrieb integriert werden. Die Konzepte reichen von der einfachen Drehzahlregelung auf einer Platine bis hin zur Integration von zum Beispiel Folientastaturen in das Antriebskonzept. Eine Lösung als einfache Steuerplatine bis hin zur eingehausten Lösung für die Schaltschrankmontage ist jederzeit auf Wunsch möglich. aru