DC-Motoren von Maxon

DC-Motoren sind mit Permanentmagneten ausgestattet. (Bild: Maxon)

| von Bernd Jüchtern, Theresa Ruhhammer

Wer in der Antriebstechnik auf kompakte Gleichstrommotoren setzt, muss zuerst eine Wahl treffen: zwischen bürstenbehafteten (DC) und bürstenlosen (BLDC) Motoren. Letztere werden bei Maxon auch EC-Motoren (elektronisch kommutiert) genannt.

EC-Motoren zeichnen sich generell in höheren Grenzdrehzahlen aus, im Speziellen können diese über 100 000 U/min liegen. Mehrpolige bürstenlose Motoren weisen vielfach ein größeres Drehmoment auf, jedoch findet hier eine Drehzahlreduzierung statt. Ob Sie einen bürstenbehafteten oder bürstenlosen DC-Motor verwenden, hängt von verschiedenen Kriterien ab, unter anderem:

  • Geforderte Drehzahl: mit Vorteilen für bürs­tenlose Motoren bei hohen Drehzahlen.
  • Lebensdauer: wiederum mit Vorteilen für bürstenlos.
  • Umgebungsbedingungen: Anpassungen bei bürstenlosen Motoren sind meist einfacher.
  • Verkabelungs- und Betriebsaufwand: Mit Vorteilen bei einfachen Antrieben auf der bürstenbehafteten Seite.

Ob Sie sich für DC- oder BLDC-Motoren entscheiden, hängt am Ende von technischen Erwägungen und Anwendungsfall ab. Hinzu kommen Umgebungsbedingungen, Lebensdaueraspekte sowie die ökonomischen Überlegungen. Berücksichtigen Sie alle Aspekte Ihrer Anwendung. Sie werden die richtige Lösung finden. Sollten Sie dennoch Hilfe bei der Antriebsauswahl benötigen, helfen Ihnen die Maxon-Experten gerne weiter.

Soll der Antrieb geregelt werden?

Zunächst besteht die Möglichkeit, den Antrieb drehzahl-, drehmoment- und positionsgeregelt zu betreiben. Hierzu steht Ihnen das umfangreiche Maxon Steuerungsportfolio, unter anderem im Selection Programm wieder zu finden, zur Verfügung. Aufgrund der bekannten Einspeisedaten ergibt sich die Steuerungsklassifizierung.

Des Weiteren ist entscheidend, wie Sie die Steuerung betreiben möchten, per Digital I/O, Analog I/O oder über entsprechende Bus-Schnittstellen wie RS232, CAN, USB oder EtherCAT. Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist, dass unterschieden werden muss zwischen Stand-alone-Steuerungen und Master-Slave-Steuerungen mit entsprechender Bus-Technologie. Beim Letztgenannten ist darauf zu achten, dass die Bit-Rate an die Bus-Länge angepasst wird. Ohne Bedenken können diese Master-Slave-Steuerungen in rauen Industrieumgebungen eingesetzt werden.

Was sind DC-Motoren?

Ein Gleichstrommotor (englisch: DC-Motor, von direct current) ist ein Gerät, das Gleichstrom direkt in eine Rotationsbewegung umwandelt. Nahezu alle Arten von Gleichstrommotoren verfügen über einen internen Mechanismus elektromechanischer oder elektronischer Natur, um die die Stromrichtung in einem Teil des Motors priodisch zu ändern. Auch die Drehzahl dieser Motoren ist sehr leicht zu variieren. Sie kann entweder mit einer variablen Versorgungsspannung oder durch Ändern der Stromstärke in seinem Feldwicklungen gesteuert werden.

Vorteile: Ein DC-Motor mit Permanentmagnet ist einfach herzustellen und robust. Das macht ihn zu einer der meistgebauten Motorenausführungen. Vor allem DC-Motoren mit leistungsstarken Permanentmagneten sorgen für leistungsstarke und trägheitsarme Antriebe. Dank des kleinen Massenträgheitsmoments haben die DC-Motoren zudem eine sehr hohe Beschleunigung. Bürstenlose DC-Motoren verfügen zudem über einen großen Drehzahlbereich und eine hohe Lebensdauer und sind somit für präzise Positionierantriebe prädestiniert.

Nachteile: Ein entscheidender Nachteil ist das sogenannte Bürstenfeuer. Das sind Funken, die bei den Bürsten entstehen können - eine der Hauptursachen für hochfrequente Störungen, die der Motor im Betrieb in das Leitungsnetz zurückspeist und die andere elektrische Verbraucher stören. Es begrenzt auch die maximale Drehgeschwindigkeit, da die Bürsten bei hohen Drehzahlen überhitzen und schneller verschleißen können.

Video: Kommutierung eines Maxon DC-Motors

Erklärt: So funktioniert die Kommutierung eines DC-Motors mit Bürsten

Situationsanalyse zur Antriebsauswahl

Bevor der eigentliche Selektionsprozess startet, ist eine Situationsanalyse mit der Antriebssituation als Ganzes nötig. Dabei werden auch die Variationsbereiche der Schlüsselparameter festgelegt. In der Regel sind die verschiedenen Aspekte stark miteinander vernetzt. Überlegung, welcher Motortyp benötigt wird, hängt nicht vom Elektromotor selbst, sondern auch von dessen mechanischer Auslegung wie Motordrehzahl, -drehmoment und -trägheit ab.

Der Motor muss über die passende Kombination aus Drehzahl und Drehmoment verfügen, um den durch die Anforderungen definierten Arbeitspunkt zu treffen. Beim Regel-Konzept geht es darum, sich Gedanken zu machen, was soll geregelt werden, der Strom, die Drehzahl oder die Position.

Der Regelkreis muss festgelegt werden und welche Regelgröße erfasst werden soll. Dies führt danach zu einer Vorselektion für mögliche Regler und Sensoren. Bei der Leistungsüberprüfung muss festgelegt werden, ob genügend elektrische Leistung zur Verfügung steht, um die Last in allen Betriebsbedingungen anzutreiben und um die zu erwartenden Verluste im Antriebsstrang auszugleichen.

Schließlich sind noch die Randbedingungen von wesentlichem Interesse, die sich aus den jeweiligen Anwendungen ergeben. Die ökonomischen Überlegungen dürfen zum Schluss natürlich nicht außer Acht gelassen werden. Hinsichtlich dessen müssen Überlegungen folgen, wie der Antrieb möglichst kostengünstig konfiguriert werden kann und trotzdem den Anforderungen bezüglich Technik und Lebensdauer gerecht wird.

Herangehensweise bei der Antriebsauslegung

Um den Kunden bei der Antriebsauslegung zu unerstützen, bieten viele Hersteller von Motoren wie Maxon ein elektronisches Auswahltool an. Hier können Kunden ihr gewünschtes spezifisches Antriebssystem nachbilden, vom Motor bis zur Antriebskombination bestehend aus Getriebe, Motor, Encoder und Bremse. Mit der einfachen Suche können Sie sich gerne einen Überblick verschaffen, jedoch dient die ‚Erweiterte Suche‘ für einen präziseren Einblick hinsichtlich der spezifischen Anwendung. Hier können in Kürze individuelle Antriebe ausgelegt und auch abgebildet werden. Im Anschluss besteht die Möglichkeit, die Auswahl noch weiter zu konkretisieren, indem beispielsweise nach dem kleinsten Durchmesser oder dem tiefsten Gesamtpreis weiter gefiltert wird.

Die Anforderungen an Klein- und Servomotoren nehmen kontinuierlich zu. Von den Motoren verlangt man mehr Flexibilität, Dynamik und Präzision, aber auch Kompaktheit, Robustheit und Intelligenz. Gleichzeitig erschließen sich die Motoren damit neue Einsatzbereiche. Aufgrund der hervorragenden Erfahrungen der Mitarbeiter der Maxon Gesellschaften kann eine Vielzahl von kundenspezifischen Randbedingungen von Antriebsauslegung implementiert werden.

Nach der ersten Modellerstellung des Kunden, wird die individuelle fachliche Detailberatung sehr oft in Anspruch genommen. Der Technische Innendienst kümmert sich im Hause Maxon um diese Belange. Viele Kunden schätzen vor allem die gute Beratung und die vielen möglichen Alternativen. Der Maxon Online Shop bietet derzeit über 5.000 Produkte mit einer Million Kombinationsmöglichkeiten. Erfahrungen haben gezeigt, dass bei vielen Firmen zunächst der Konstrukteur/Entwickler sich mit der Antriebsauslegung beschäftigt, bevor der Einkäufer dann die letzten Bestelldetails übernimmt.

Auswahl von Getrieben

Stirnrad-, Planeten- oder Schneckengetriebe? Die Vielzahl der möglichen Getriebearten ist groß. Dabei hat jede Bauform ihre Vor- und Nachteile und sollte entsprechend der Anwendung und den Anforderungen ausgewählt werden. Während sich Stirnradgetriebe meist durch einen relativ einfachen Aufbau, eine geringe Anzahl von Bauteilen und somit durch relativ niedrige Preise auszeichnen, liegen die Vorteile der Schneckengetriebe in einer hohen Untersetzung je Stufe und der Selbsthemmung.

Ferner bringt eine Schneckenstufe eine orthogonale Orientierung der Abtriebs- zur Antriebsachse mit sich. Planetengetriebe zeichnen sich hingegen durch ihre sehr hohe Leistungsdichte aus. In Kombination mit den starken Motoren aus dem eigenen Haus hat man bei Maxon den Schwerpunkt somit auch auf Planetengetriebe gelegt. Dies ermöglicht das Übertragen von maximalem Drehmoment und Leistung durch minimalen Bauraum beim Antrieb.

Darüber hinaus bieten die Planetengetriebe als Vorteil einen sehr guten Wirkungsgrad. Üblicherweise ist mit 10 Prozent Reibungsverlust je Stufe zu rechnen. Wählt man beispielsweise die UP-Ultra Performance-Baureihe von Maxon, kann dies auf circa 5 Prozent halbiert werden. Welche Getriebeart, Größe, Version, Lagerung, Stufenzahl oder Untersetzung letztendlich aber die beste ist, hängt von verschiedenen Kriterien und Anforderungen ab. Die wesentlichsten dabei sind:

  • Maximale und mittlere Drehzahl
  • Maximale und mittlere Drehmomentübertragung
  • Zu übertragende Radial- und Axiallasten
  • Betriebsart: Dauerbetrieb oder zyklischer Betrieb mit Pausenzeiten
  • Wird ein Getriebe mit Selbsthemmung oder Rückdrehbarkeit und max. Wirkungsgrad benötigt?
  • Erwartungen an die Lebensdauer Begrenzungen an Verdrehspiel und Positioniergenauigkeit
  • Anforderungen an Geräusch und Vibration
  • Einschränkungen an den Bauraum des Antriebs
  • Standhalten von äußeren Einflüssen wie Temperatur, Schmutz. Feuchtigkeit oder Vakuum

Der Selection Guide von Maxon hilft bei der richtigen Auswahl und berät auch über mögliche Modifikationen oder gar individuelle Antriebssysteme.

Checkliste für den Einkauf von DC-Motoren

  • Welches Drehmoment (Nm) im Betriebspunkt wird benötigt?
  • Welche Abtriebs-Drehzahl (U/min) wird im Betriebspunkt benötigt?
  • Welche Betriebsspannung und welcher Betriebsstrom stehen zur Verfügung?
  • Welcher Anwendungsfall liegt konkret vor? Hier bestehen Möglichkeiten, Motoren für Hochtemperaturen mit Spezialgetrieben mit Sensoren etc. sich durch einen Maxon-Mitarbeiter auslegen zu lassen.

Einkaufsführer in Zusammenarbeit mit Maxon Group Deutschland

Maxon entwickelt und baut bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren. Die Produktpalette umfasst zudem Getriebe, Encoder, Steuerungen sowie komplette mechatronische Systeme. Maxon Antriebe werden überall eingesetzt, wo besonders hohe Anforderungen gestellt werden: etwa in den NASA-Rovern auf dem Mars, in chirurgischen Handgeräten, Humanoiden Robotern und präzisen Industrieanlagen. Um in diesem anspruchsvollen Markt vorne zu bleiben, investiert das Unternehmen einen großen Teil des Umsatzes in Forschung und Entwicklung. Mehr unter: www.maxongroup.de

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