Ein hoher Wirkungsgrad und reibungsloser Betrieb sind zwei entscheidende Faktoren bei Anwendungen, in denen DC-Motoren eingesetzt werden. Beide Anforderungen zu erfüllen, ist nicht immer so einfach, wie es scheint – beispielsweise beim Betrieb von edelmetallkommutierten DC-Motoren mittels Pulsweitenmodulation (PWM).
Dieses Tutorial erläutert, welche Faktoren bei der Auswahl und Auslegung eines FAULHABER DC-Motors zu berücksichtigen sind, um dessen maximale Lebensdauer bei hohem Wirkungsgrad zu erreichen.
Nicht jede Art von DC-Motor erfüllt die Anforderungen für den Betrieb mit Pulsweitenmodulation (PWM). Wenn Sie PWM bei einem DC-Motor mit Edelmetallkommutierung einsetzen möchten, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass Ihr Antriebssystem seine maximale Lebensdauer erreicht.
Im Folgenden erfahren Sie:
1. Welche Arten von DC-Motoren und welche Kommutierungssysteme FAULHABER anbietet.
2. Warum der Einbau einer C-Platine dazu beiträgt, die Lebensdauer eines DC-Motors zu verlängern.
5. Welche Faktoren bei Auswahl und Betrieb eines DC-Motors berücksichtigt werden sollten.
Alle bürstenbehafteten DC-Motoren im FAULHABER Portfolio basieren auf der Technologie der eisenlosen, freitragenden Schrägwicklung, die von Dr. Fritz Faulhaber Sr. erfunden wurde. Ein DC-Motor wandelt Gleichstrom in mechanische Energie um. Seine wichtigsten Komponenten sind ein beweglicher Rotor, ein fester Stator und ein Kommutator.
FAULHABER bietet verschiedene Arten bürstenbehafteter DC-Motoren an. Je nach Motortechnologie nutzen sie unterschiedliche mechanische Kommutierungssysteme: Kupfergraphitkommutierung und Edelmetallkommutierung.
Der Begriff Graphitkommutierung oder Kupfergraphitkommutierung bezieht sich auf das Graphitmaterial der Bürsten, die in Kombination mit einem Kommutator aus einer Kupferlegierung verwendet werden. Diese Art von Kommutierungssystem ist sehr robust und eignet sich besonders für dynamische Hochleistungsanwendungen mit schnellem Start-Stopp-Betrieb oder periodischen Überlastbedingungen.
Bei der Edelmetallkommutierung bestehen die Bürsten und der Kommutator aus leistungsfähigen Edelmetalllegierungen. Diese Art der Kommutierung wird vor allem aufgrund ihrer sehr geringen Größe, des niedrigen Kontaktwiderstands und des äußerst präzisen Kommutierungssignals eingesetzt. Die Edelmetallkommutierung eignet sich besonders gut für Anwendungen mit geringer Stromstärke, wie beispielsweise batteriebetriebene Geräte. Edelmetallkommutierte Motoren weisen die beste Gesamtleistung im Dauerbetrieb auf, wenn die Last am oder nahe dem Punkt des maximalen Nennwirkungsgrads liegt.
Bei bürstenbehafteten DC-Motoren wird der durch die Spule fließende Strom jedes Mal abrupt unterbrochen, wenn eine Bürste ein Kommutatorsegment verlässt. Da die Wicklung induktiv ist, verursacht diese Unterbrechung eine hohe Spannungsspitze und einen Lichtbogen zwischen Bürste und Kommutierungssegment. Die hohen Frequenzen bzw. die elektrischen Schwingungen, die durch die Lichtbogenbildung entstehen, werden auch als EMV (elektromagnetische Störungen) bezeichnet. Das Auftreten von Lichtbögen bei DC-Motoren stellt zwar keine Seltenheit dar (aufgrund der periodischen Stromunterbrechung während der mechanischen Kommutierung), kann jedoch insbesondere in edelmetallkommutierten Motoren eine Beschädigung der Metallbürsten und Kommutatorsegmente durch elektrochemische Erosion verursachen. Dies kann zu erhöhtem Verschleiß und damit zu einer verkürzten Lebensdauer des mechanischen Kommutierungssystems führen.
Um die Lebensdauer eines DC-Motors mit Edelmetallkommutierung zu verlängern, wird üblicherweise eine RC-Schaltung zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten integriert, die als kleiner Hochpassfilter fungiert. Wenn sich der Kontakt öffnet, wird der Motorstrom auf das RC-Netzwerk umgeleitet, das sich schnell auflädt, da der Strom nicht mehr unterbrochen, sondern durch die RC-Schaltung gedämpft wird.
FAULHABER DC-Motoren mit Edelmetallkommutierung sind mit sogenannten C-Platinen als Komponente zur Funkenreduzierung ausgestattet. Diese C-Platinen sind als RC-Netzwerk ausgelegt und lassen sich präzise auf die Rotorwicklung abstimmen. Sie schützen die Bürsten und den Kommutator vor Elektroerosion. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer und verbesserten EMV-Eigenschaften.
Zur Regelung der Spannung eines DC-Motors verwenden Speed Controller und Motion Controller von FAULHABER üblicherweise Pulsweitenmodulation (PWM). PWM ist eine sehr effiziente Methode, um hohe Lasten anzusteuern. Im Gegensatz zu einer linearen Ausgangsstufe treten dabei nur sehr geringe Verluste im Ausgangstreiber des Controllers auf.
Ein PWM-Signal hat eine Rechteckform mit modulierter Einschaltdauer, wobei die Einschaltdauer die Durchschnittsspannung bestimmt, die am Ausgang des Controllers erforderlich ist, um die gewünschte Drehzahl zu erreichen.
Es gibt zwei Möglichkeiten, um ein PWM-Signal zu erzeugen:
Aufgrund ihrer eisenlosen Spulenkonstruktion weisen FAULHABER Motoren eine deutlich geringere elektrische Zeitkonstante im Vergleich zu genuteten Motoren auf. Beim Betrieb dieser Motoren mit PWM sind daher einige Punkte zu beachten. Idealerweise sollten die Motoren mit Steuerungen und Zubehör von FAULHABER kombiniert werden, da diese Komponenten darauf ausgelegt sind, die Leistung des gesamten Systems zu optimieren.
Wenn DC-Motoren mittels PWM angesteuert werden, verursacht die PWM eine Stromwelligkeit im Motor (rote Kurve in Abb. 6). Der Motorstrom steigt in einem Sägezahnverlauf an, welcher durch die elektrische Zeitkonstante des Motors bestimmt wird. Dies wird als Stromwelligkeit bezeichnet.
Bei Motoren mit Edelmetallkommutierung (z.B. FAULHABER SXR-Familie) tritt eine zusätzliche Stromspitze auf, was zur grünen Kurve in Abb. 6 führt, die durch den Kondensator auf der C-Platine verursacht wird. Diese Spitzen sind kritisch und können zur Zerstörung der C-Platine und des Kommutierungssystems führen. Die Stromwelligkeit und die Stromspitzen verursachen zusätzliche Verluste in verschiedenen Komponenten des Motors (Spule, Eisen, C-Platine, …) und verringern dadurch dessen Wirkungsgrad.
Normalerweise verwenden FAULHABER Motorsteuerungen eine hohe PWM-Frequenz (z. B. 100 kHz), um die Stromwelligkeit bei Motoren mit einer eisenlosen Spule und einer niedrigen elektrischen Zeitkonstante (L/R) zu reduzieren. Bei Motoren mit Edelmetall-Kommutierungssystem und C-Platine wird der Einsatz von PWM jedoch nicht empfohlen, da sie zu Verlusten in der C-Platine führt, die mit steigender PWM-Frequenz ebenfalls zunehmen (rote Kurve in Abb. 7). Darüber hinaus führt eine Vier-Quadranten-PWM zu höheren Verlusten als eine Zwei-Quadranten-PWM.
Wie bereits erläutert, führt der Betrieb mit PWM bei DC-Motoren mit integrierter C-Platine in einem Regelkreis mit Motion Controllern oder Speed Controllern zu einer zusätzlichen Belastung der Komponenten. Um eine Beschädigung der integrierten C-Platine bei den FAULHABER-Motorfamilien SR und SXR zu vermeiden, sollten zusätzlich EFM-Filter von FAULHABER verwendet werden (Abb. 8). Diese Filter nutzen Serieninduktivitäten um einen Tiefpassfilter zu bilden, was in Kombination mit dem Motor schädliche Stromspitzen verhindert.
Optional können zusätzliche Induktivitäten in Reihe zu den Motoranschlüssen geschaltet werden. Typische Werte liegen im Bereich des 1- bis 2-fachen der im Motordatenblatt angegebenen Motorinduktivität. Bitte beachten Sie, dass zusätzliche Induktivitäten die Dynamik des Antriebs beeinträchtigen können.
Durch diese Maßnahmen können Motoren mit einem Edelmetall-Kommutierungssystem zuverlässig vor Schäden durch PWM geschützt werden (Abb. 9).
Sofern diese Maßnahmen in einer bestimmten Anwendung nicht umgesetzt werden können, sollte der Einsatz eines Motors mit Kupfergrapitkommutierung (z. B. aus der FAULHABER GXR-Baureihe) oder eines bürstenlosen DC-Motors in Betracht gezogen werden.
Folgende FAULHABER-Zubehörteile verfügen über einen integrierten Filter, der edelmetallkommutierte Motoren mit C-Platine vor Schäden beim Betrieb mit PWM schützen kann:
Die folgenden Application Notes von FAULHABER bieten vertiefende Informationen zum Antrieb von DC-Motoren mittels PWM, zum Anschluss von DC-Motoren an Steuerungen sowie zur Auswahl zusätzlicher Induktivitäten.
Damit Ihre Anwendung jederzeit reibungslos und störungsfrei läuft, ist es wichtig, dass die eingesetzten Antriebe über ihre gesamte Lebensdauer hinweg zuverlässig arbeiten.
Unsere Antriebsexperten haben eine Liste mit Empfehlungen für die Auswahl von Motoren zusammengestellt, um die bestmögliche Lebensdauer für FAULHABER SR-, SXR- und andere DC-Motoren aus dem Portfolio zu erreichen.
1. Achten Sie bei der Auswahl eines geeigneten Motors darauf, dass dieser nicht ständig an seiner thermischen Belastungsgrenze betrieben wird. Vermeiden Sie Dauerbetrieb nahe der Nennlast. Verwenden Sie idealerweise nur etwa 60-70%.
2. Beachten Sie bei der Installation das Gerätehandbuch des Motors.
3. Betreiben Sie den Motor nicht ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen wie PWM-Filter oder eine Serieninduktivität im PWM-Betrieb.
4. Sorgen Sie für die bestmögliche Wärmeableitung des eingebauten Motors.
5. Wählen Sie eine ausreichend hohe PWM-Frequenz für den Betrieb des Motors.
6. Nutzen Sie die verfügbaren Strombegrenzungsmaßnahmen in Kombination mit einem geeigneten FAULHABER Speed Controller oder Motion Controller.
7. Vermeiden Sie nach Möglichkeit verschleißfördernde Betriebsarten (z. B. Start/Stopp; Überlast; Reversierbetrieb; …).
Möchten Sie mehr über die Verwendung von PWM bei einem bestimmten Produkt erfahren oder wissen, wo Sie die entsprechenden Werte im Datenblatt finden? Oder benötigen Sie Hilfe bei der Auswahl des richtigen DC-Motors für Ihr Projekt?
Die Vertriebsingenieure von FAULHABER unterstützen Sie gerne. Lassen Sie uns gemeinsam die optimale Lösung finden, die den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung entspricht.
