Bürstenlose DC-Motoren

Bürstenlose DC-Motoren von FAULHABER stehen für maximale Leistung auf kleinstem Raum. Sie zeigen höchste Werte bei Drehzahl, Drehmoment und Lebensdauer. Sie sind besonders geräusch- und vibrationsarm. Nicht zuletzt vertragen bürstenlose Elektromotoren auch Überlast- und Dauerbetrieb. Die Modellpalette reicht vom kleinsten Mikromotor über hocheffiziente Flachmotoren bis zum superstarken Außenläufer.

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Der Name sagt bereits, wodurch sich bürstenloser (brushless) Motor auszeichnet: Er kommt ohne Bürsten aus. Das heißt, er benötigt keine Schleifkontakte, die bei herkömmlichen DC-Motoren für die Stromübertragung (Kommutierung) sorgen. Bei den bürstenlosen Gleichstrommotoren kommt stattdessen eine elektronische Kommutierung zum Einsatz.

Das wird durch den inversen Aufbau des bürstenlosen Gleichstrommotors möglich. Dabei bildet die aus Kupferdrähten gewickelte Spule den Stator, während die Magnete als Rotor fungieren. Die Regelelektronik lenkt den Stromfluss so, dass die Spule ein im Kreis wanderndes Magnetfeld erzeugt. Diese Kreisbewegung löst die Drehung des magnetischen Rotors aus.

Die Wicklungen sind in mehrere Teile unterteilt, die abwechselnd unter Strom gesetzt werden. Dabei erzeugen sie jeweils ein Magnetfeld. Durch einen präzise gesteuerten, ständigen Wechsel der Stromzufuhr zu den einzelnen Teilen der Wicklung entsteht ein entsprechendes Muster im Wechsel der Magnetfelder.

Die Anziehung und Abstoßung der Magnete „wandert“ dabei im Kreis und versetzt den Rotor in Bewegung. Bei den allermeisten bürstenlosen Motoren messen elektronische Sensoren, sogenannte Hall-Sensoren, ständig den Stellungswinkel des Rotors. Ihre Signale nutzt die Motorelektronik, um den Strom zum richtigen Zeitpunkt während der Drehung zu- oder abzuschalten beziehungsweise die Stromrichtung umzukehren.

FAULHABER bietet bürstenlose Gleichstrommotoren mit vier verschiedenen Konstruktionsprinzipien an. Die zwei- und vierpoligen BLDC-Motoren haben eine länglich zylindrische Form. Wie bei den DC-Motoren sind die Wicklung außen und die Magnete innen platziert, nur dass sie in der bürstenlosen Variante die „umgekehrte“ Funktion ausfüllen: Wicklung=Stator, Magnete=Rotor.

Beim Zweipolmotor besteht der Rotor aus einem einfachen Magneten mit einem Nord- und einem Südpol. Beim Vierpolmotor hat der Rotor zwei abwechselnde Nord- und Südpole.

Eine dritte Form bilden die bürstenlosen Motoren der Serie B-Flat in flacher Mehrpolausführung. Bei dieser Variante sind drei freitragende Wicklungen auf einer kreisförmigen Stator-Scheibe montiert. Der Rotor besteht aus einer ebenfalls kreisförmigen Magnetscheibe. Diese besondere Anordnung ermöglicht eine extrem flache Bauform.

Bei den Außenläufer-Motoren der Baureihe BXT sind die Rotor-Magneten außen und die Wicklungen – in diesem Fall mit einem Eisenkern versehen – innen angebracht. Die Motoren verfügen über 7 Polpaare und erreichen dank innovativer Wicklungstechnik ein extrem hohes Drehmoment bis zu 134 mNm. Das Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht und Bauvolumen ist einzigartig.

FAULHABER bietet ein breites Spektrum von bürstenlosen Motorvarianten an. Unter ihnen findet sich praktisch immer ein Antrieb mit einer optimalen Lösung für Ihre Anwendung. Sie können überdies auf ein ebenfalls breites Portfolio von Getrieben zurückgreifen, um etwa den Drehzahlbereich zu erweitern oder das Drehmoment anzupassen.

Im ersten Schritt sind die grundlegenden Parameter zu definieren:

• Nennstrom und Nennspannung
• Drehzahl und Drehmoment
• Baugröße (max. Länge und Durchmesser)

Weitere Kriterien ergeben sich aus den Anforderungen der mechanischen Integration. Hier spielen zum Beispiel die Lage und die Art der Montagepunkte oder der Wellendurchmesser eine wichtige Rolle. Die Ausstattung der Antriebe muss auch zu den äußeren Bedingungen des Einsatzes passen. Widrige Umwelteinflüsse wie extreme Temperaturen, Unterdruck, Feuchtigkeit oder Staub können eine bestimmte Schutzart, Vakuumtauglichkeit oder einen entsprechenden Temperaturbereich erfordern. In vielen Anwendungen kommt es zudem auf das Geräusch- und Vibrationsniveau der Antriebe an.

Da bürstenlose Motoren keine Schleifkontakte benötigen, entsteht durch die Kommutierung auch kein Abrieb. Unvermeidlichen Verschleiß gibt es nur an den Lagern, die aber deutlich länger halten als Bürsten. BLDC-Motoren können daher – je nach Einsatzbedingungen – eine Lebensdauer von mehr als 25.000 Stunden erreichen, rund das Fünffache von bürstenbehafteten DC-Motoren. Ohne Bürsten laufen die Motoren zudem besonders geräuscharm. Ähnliches gilt für die Drehzahl: Bürstenlose Motoren können bis zu 100.000 rpm erreichen, rund das Vierfache des Werts bei den bürstenbehafteten DC-Motoren.

Bürstenlose DC-Motoren benötigen im Vergleich zu bürstenbehafteten eine deutlich komplexere Elektronik. Diese ist entsprechend teurer und erfordert bei der Integration einen höheren Aufwand. Da die Spule fixiert ist und die Magnete sich bewegen, ist das Trägheitsmoment größer. Sie benötigen eine höhere Anlaufspannung, zugleich vertragen sie mehr Überlast. Außerdem stehen sie auch als Flachmotoren mit sehr kurzer Baulänge zur Verfügung.

Bürstenbehaftete DC-Motoren zeichnen sich dagegen durch die einfache Ansteuerung aus und sind leicht zu integrieren. Sie kommen ohne Feedback-Loop aus und benötigen im Prinzip nur einen Gleichspannungsanschluss. Dieser einfache Aufbau erlaubt besonders kostengünstige Lösungen. In den DC-Motoren von FAULHABER dreht sich eine freitragende eisenlose Kupferwicklung mit sehr kleiner Masse und entsprechend minimalem Trägheitsmoment. Sie liefern schon bei sehr niedriger Anlaufspannung starke Leistung und können auch mit niedriger Drehzahl arbeiten. Das ist besonders bei Batteriebetrieb ein wichtiger Aspekt. Zugleich können diese DC-Motoren sehr schnelle Drehzahlwechsel ausführen. Wegen des geringen Trägheitsmoments ist allerdings ihre Überlastfähigkeit begrenzt.