DC-Motoren von FAULHABER – Rastlos im Einsatz

DC-Motoren von FAULHABER unterscheiden sich von herkömmlichen DC-Elektromotoren mit Eisenanker durch die freitragende Kupferspule in Schrägwicklung. Diese Konstruktion minimiert nicht nur das Trägheitsmoment des Rotors, sondern verleiht den Antrieben zudem höchste Dynamik und einen präzisen, rastmomentfreien Lauf. Die Technologie wurde von Dr. Fritz Faulhaber sen. entwickelt. Mit Höchstleistung aus minimalem Volumen hat sie neue Antriebsoptionen für zahlreiche Anwendungsgebiete geschaffen.

DC steht für „direct current“, den englischen Begriff für Gleichstrom. Ein DC-Motor wandelt Gleichstrom in mechanische Energie um. Seine wichtigsten Komponenten sind ein beweglicher Rotor, ein fester Stator sowie ein Kommutator – das ist ein Strom- oder Polwender, der den Strom mit ständig wechselnder Flussrichtung in den Rotor leitet. Bei herkömmlichen DC-Motoren besteht der Rotor aus einer Spule, die um einen eisernen Kern (Anker) gewickelt und außen von U-förmigen Stator-Magneten umgeben ist. In den DC-Motoren von FAULHABER ist diese Anordnung umgedreht.

In den DC-Elektromotoren von FAULHABER ist der dauermagnetische Stator zylinderförmig und befindet sich innen, während der Rotor sich außen um ihn herum dreht.

Der Rotor besteht aus einer eisenlosen, freitragenden Kupferspule in Schrägwicklung. Diese Technologie wurde von Dr. Fritz Faulhaber sen. entwickelt und 1958 patentiert. Sie bildet das Kernstück der DC-Motoren von FAULHABER. Eine Ausnahme bilden nur die DC-Flachmotoren der Serie SR-Flat: Bei ihnen sind Rotor und Stator scheibenförmig angeordnet, um Baulänge zu sparen.

Mit der eisenlosen, freitragende Kupferspule wird ein sehr geringes Gesamtgewicht des Motors erreicht. Außerdem sorgt dieser Aufbau für ein minimales Trägheitsmoment und einen rastmomentfreien Lauf mit hoher Präzision. DC-Motoren von FAULHABER weisen dank dieser Eigenschaften eine besonders hohe Dynamik sowie eine große Leistungsdichte auf.

Der Stator eines DC-Motors ist ein Dauermagnet. In den Rotor wird Gleichstrom geleitet. Dabei entstehen Magnetfelder, die von den Magnetpolen des Stators jeweils abgestoßen oder angezogen werden. Aus dieser Kraft entsteht die Bewegung des DC-Motors. Der Kommutator kehrt die Flussrichtung des Stroms und damit die Polarität der Magnetfelder ständig um. So kann aus der einmaligen Anziehung und Abstoßung der Pole eine durchgängige Rotation entstehen. Der Strom wird durch einen Schleifkontakt, die sogenannte Bürsten, auf den Rotor übertragen. Diese Stromübertragung wird als Kommutierung bezeichnet.

• Die Edelmetallkommutierung weist eine geringe Stromdichte und einen niedrigen Kontaktwiderstand auf. Sie ist besonders gut für Anwendungen mit geringer Leistung, für Batteriebetrieb sowie für Anwendungen mit niedriger Anlaufspannung geeignet.
• Bei der Graphitkommutierung bestehen die federbelasteten Bürsten aus einer Kombination von Graphit mit Kupfer oder Silber. Sie besitzen eine große Kontaktfläche und erreichen auch bei Stößen oder Vibrationen eine starke Kontaktkraft für optimale Stromübertragung auf die Wicklung.

Die grundlegenden Parameter sind

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

Unter den zahlreichen Produktvarianten von FAULHABER findet sich praktisch immer ein Antrieb, der die optimale Lösung für Ihre Vorgaben bietet. Mit einem zusätzlichen Getriebe lässt sich zum Beispiel der Drehzahlbereich beträchtlich erweitern oder das Drehmoment anpassen. FAULHABER bietet hier ein breites Portfolio von perfekt auf die DC-Motoren abgestimmten Getrieben an.

Lage und Art der Montagepunkte sowie der Wellendurchmesser können bei der Auswahl ebenfalls eine wichtige Rolle spielen. Außerdem kommt es auf die äußeren Bedingungen des Einsatzes an. Bei widrigen Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub, Unterdruck oder extremen Temperaturen kann eine bestimmte Schutzart, Vakuumtauglichkeit oder ein besonders großer Temperaturbereich gefordert sein.

Ein weiteres wichtiges Kriterium ist das verfügbare Zubehör. FAULHABER bietet für seine DC-Elektromotoren die branchenweit größte Auswahl an maßgeschneiderten Kombinationsmöglichkeiten: Neben unseren Präzisionsgetrieben (Planetengetriebe, Stirnrad- und spielarme Stirnradgetriebe) umfasst unser Portfolio auch hochauflösende Encoder (Inkremental- und Absolutwertgeber) sowie leistungsfähige Steuerungen (Speed Controller, Motion Controller). Mit unserem Drive Calculator finden Sie schnell den perfekt auf Ihre Anforderungen zugeschnittenen DC-Motor. Zudem bieten wir unseren Kunden auch die Spezialanfertigung von anwendungsspezifisch konfigurierten Antrieben an.

Wie die zentralen Antriebsparameter für eine Anwendung berechnet werden, erläutert unser Tutorial Motorberechnungen für eisenlose DC-Bürstenmotoren. Es hilft Ihnen bei der Auswahl des passenden DC-Motors für die Anwendung oder einen Prototyp. Im Tutorial sind die wichtigsten Methoden, Formeln und Berechnungsdetails zusammengefasst, mit denen die Leistungsabgabe, die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie und die Strom- und Wirkungsgradkennlinien bestimmt werden können.

Bürstenbehaftete DC-Motoren haben konstruktionsbedingte Stärken, die für die Motorauswahl eine wichtige Rolle spielen können.

• Einfache Ansteuerung, leichte Integration
  Bei bürstenlosen Motoren muss das Drehfeld ständig wechseln, das erfordert einen Feedback-Loop und einigen Aufwand bei der Ansteuerung. Dagegen benötigt ein bürstenbehafteter DC-Motor im Prinzip nur einen Gleichspannungsanschluss. So lässt er sich sehr leicht in jede Steuerung integrieren.
   
• Geringes Trägheitsmoment, hohe Dynamik
  In den DC-Motoren von FAULHABER dreht sich eine freitragende eisenlose Kupferwicklung mit sehr kleiner Masse und entsprechend minimalem Trägheitsmoment. Das verleiht dem Motor eine hohe Dynamik: Er liefert schon bei sehr niedriger Anlaufspannung starke Leistung und kann auch mit niedriger Drehzahl arbeiten. Das ist besonders bei Batteriebetrieb ein wichtiger Aspekt. Zugleich kann er sehr schnelle Drehzahlwechsel ausführen. Wegen des geringen Trägheitsmoments ist allerdings seine Überlastfähigkeit begrenzt.
   
• Einfacher Aufbau, kostengünstige Lösungen
  Dank seines einfachen Aufbaus kommt der bürstenbehaftete DC-Motor mit wenig Elektronik und – je nach Variante – auch mit einfachen Komponenten aus. Damit erlaubt sein Einsatz besonders kostengünstige Lösungen.

Bürstenlose DC-Motoren benötigen eine im Vergleich deutlich komplexere Elektronik. Sie ist entsprechend teurer und erfordert bei der Integration einen höheren Aufwand. Da die Spule fixiert ist und die Magnete sich bewegen, ist das Trägheitsmoment bei diesem Motortyp größer. Er benötigt eine höhere Anlaufspannung, zugleich verträgt er aber auch mehr Überlast. Bürstenlose DC-Motoren zeigen ihre Stärken besonders bei häufigen Überlastbedingungen sowie in Anwendungen mit Dauerbetrieb, bei denen eine maximale Lebensdauer erforderlich ist: Sie kommen ohne das Verschleißteil Bürste aus. Außerdem stehen sie auch als Flachmotoren mit sehr kurzer Baulänge zur Verfügung.