DC-Motoren

Bürstenbehaftete DC-Motoren von FAULHABER bieten kompakte Antriebslösungen für hochpräzise Bewegungen. Mit Edelmetall- oder Graphitkommutierung, geringer Rotorträgheit und ruhigem, rastmomentfreiem Lauf sind sie für anspruchsvolle Anwendungen ausgelegt, die hohe Dynamik, kompakte Abmessungen und eine zuverlässige Drehzahl- oder Drehmomentregelung erfordern.

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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.

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.

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.

• 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.

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.