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Elektronische Kommutierung

Für Anwendungen, bei denen Verschleiß vermieden werden muss – aus Reinheitsgründen im Bereich der Medizin- oder Halbleitertechnik oder weil lange Lebensdauern unbedingt erforderlich sind –, eignet sich die »bürstenlose«, das heißt »elektronische« Kommutierung. Bei bürstenlosen Motoren ist eine elektrische Verbindung durch Schleifkontakte nicht möglich, deshalb bildet die Wicklung einen Teil des Stators, in dem der Permanentmagnet rotiert. Die Beaufschlagung der Kontakte mit Spannung erfolgt bei dieser Kommutierungsart elektronisch gesteuert. Dabei muss der Stromfluss im Stator exakt an die Stellung des Ankers angepasst werden. Die Rotorlageerkennung erfolgt meist mithilfe von Sensoren. Zur Ansteuerung von bürstenlosen Motoren wird also mit Hilfe von Sensoren und einer Steuerung ein elektronisches Kommutierungssignal erzeugt. Dabei gibt es verschiedene Verfahren, die nachfolgend beschrieben werden:

Sensorlose Kommutierung

Bei sehr kleinen Motoren ist der Bauraum für Hallsensoren oder Geberscheiben zu klein. Die Sensorik würde mehr Volumen erfordern als der Antrieb selbst. Abhilfe schafft hier die so genannte sensorlose Kommutierung. Bei bürstenlosen DC-Motoren wird dazu häufig die vom Magnetfeld in die Wicklung rückinduzierte Gegen-EMK aufbereitet und ausgewertet. Dadurch gelingt es, sowohl Signale zu gewinnen, die für die Kommutierung der Motoren nötig sind, als auch Signale, die die Drehzahlinformation enthalten. Dieses Prinzip funktioniert allerdings erst ab bestimmten Drehzahlen, denn bei kleinen Drehzahlen ist das Spannungssignal schwach, im Stillstand gar Null, sodass die Rotorlageinformation unterbrochen wird.

Block Kommutierung

Im Blockbetrieb liefern so genannte digitale Hallsensoren lediglich die Information, welche Stränge als nächstes ein- oder ausgeschaltet werden. Die Sensorsignale weisen also einen Rechteckverlauf auf. Bei drei Strängen entstehen so sechs mögliche Schaltkombinationen. Diese vergleichsweise einfache Elektronik gewährleistet einen geringen Verschleiß und erlaubt zudem hohe Anlaufmomente und hohe Drehzahlen.

Sinus Kommutierung

Hallsensoren lassen sich ebenso wie Encoder einsetzen, um eine sinusförmige Steuerspannung beziehungsweise einen sinusförmigen Strom in den Wicklungen zu erzeugen. Zwar wäre ein möglichst hoher und konstanter Strom optimal, da so ein hohes Drehmoment erzeugt wird, doch aufgrund von Unsymmetrien kann es bei der Stromwendung zu Unterbrechungen kommen. Diese führen zu Schwankungen des Drehmoments. Da mit der abrupten Änderung des Stroms wieder die Induktion einer Spannung verbunden ist (gegenelektromotorische Kraft, kurz Gegen-EMK), kann es zu Wechselwirkungen mit dem Magnetfeld kommen, die Kräfte in den Lagern verursachen. Das bedeutet höheren Verschleiß und unter Umständen auch das Auftreten von Nebengeräuschen. Dieser Effekt lässt sich durch einen sinusförmigen Verlauf des Stroms vermeiden. Die Stromwendung erfolgt in dem Moment, in dem der Strom ohnehin gerade die Nulllinie passiert. Deshalb führt die Sinuskommutierung zu einem besonders leisen Lauf und zu geringst möglichen Drehmomentschwankungen. Bei Motoren mit Glockenankerprinzip sind diese Eigenschaften wegen des üblicherweise sehr geringen Trägheitsmoments von großer Bedeutung. Bei niedrigen Drehzahlen machen sie sich besonders positiv bemerkbar.

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