DC-Motor Berühren erwünscht – so bleiben DC-Motoren cool

Gerade in Handgeräten sollten DC-Motoren nicht heiß werden. Eine Lösung sind überdimensionierte Motoren – es gibt aber auch noch andere Möglichkeiten.

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Ein DC-Motor, der in der Nähe des Nennmoments betrieben wird, kann sehr heiß werden. Im Dauerbetrieb erreicht die Wicklung Temperaturen von bis zu 155 °C, was eine Gehäusetemperatur im Bereich von 120 °C ergibt. In chirurgischen Handgeräten dürfen DC-Motoren nicht so heiß werden. Was also ist zu tun? Vernachlässigt man die Reibung, so gibt es zwei Hauptverlustquellen, welche den Motor aufheizen: Stromwärmeverluste und Eisenverluste.

Wann DC-Motoren zu heiß werden

Die Stromwärmeverluste sind mit dem zum Strom proportional benöti<gten Lastdrehmoment verknüpft. Wie allgemein bekannt, nehmen diese Verluste quadratisch zum Strom zu. Hohe Ströme in der Nähe des Nennstroms führen zu Temperaturen, die für menschliche Berührung ungeeignet sind. Lässt man Motoren nur beim halben Nennstrom laufen, ergeben sich moderate Temperaturen (typisch unterhalb 50 °C), die sich besser mit Berührungen vertragen. Für die Motorauswahl bedeutet dies im Wesentlichen: den Motor überdimensionieren.

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Die Betrachtungen bis hierher gründen auf Dauerbetrieb, bei dem die maximalen Temperaturen erst nach rund zehn Minuten erreicht werden. In Handgeräten hat man es meist jedoch mit einem intermittierenden Betrieb zu tun, der bis zu 30 Minuten und länger dauern kann. Das bedeutet: Auch hier muss eine Dauerbetriebsbetrachtung angewendet werden, allerdings mit dem Effektivwert (RMS) des Laststroms (quadratische Mittelung über den gesamten Lastzyklus). Die mittlere Erwärmung entspricht dann einem Dauerbetrieb mit dem RMS-Lastmoment.

DC-Motor erwärmt sich auch ohne Last

Die Eisenverluste sind mit der Drehzahl gekoppelt. Die Wirbelstromverluste steigen quadratisch mit der Drehzahl an und erwärmen den Motor beim Drehen – sogar ohne Last. In Handgeräten kann dies bei Schleifern und Fräsern, die bei mehreren zehntausend Umdrehungen pro Minute arbeiten, ein Problem sein.

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Solche hochdrehenden Motoren benötigen ein spezielles Design, um die Wirbelstromverluste klein zu halten. Sie werden typischerweise mit einer kleinen Anzahl Magnetpolen, einer eisenlosen Wicklung und ultradünnen Eisenblechen mit tiefer Hysterese im Rückschluss ausgeführt. Das ECX Speed Programm von Maxon kombiniert diese speziellen Eigenschaften. Die bürstenlosen DC-Motoren mit ihrer langen Bauform und mit Durchmessern zwischen 16 mm und 22 mm passen perfekt in Handgeräte, die bei hohen Drehzahlen von mehreren zehntausend Umdrehungen pro Minute betrieben werden.

PWM-Ansteuerung und Induktivität

Es zeigt sich allerdings, dass Motorerwärmung nicht nur eine Frage von Drehmoment, Drehzahl und Bauweise ist. Sie hängt auch von der Gestaltung der PWM-Ansteuerung und der Einstellung der Regelparameter ab. Kürzlich beklagte sich ein Kunde bei Maxon Motor über seinen heißen Motor (80 °C und mehr) sogar bei Leerlaufbetrieb. Eine genauere Analyse ergab, dass die Ansteuerung und die Versorgungsspannung einen bedeutenden Einfluss hatten.

Eisenlose Wicklungen haben eine sehr tiefe Induktivität, was sich in einer kleinen elektrischen Zeitkonstante auswirkt. Entsprechend reagiert der Strom sehr schnell auf Spannungsänderungen; das ist gut für ein dynamisches Motorverhalten. Wird der Motor aber mit einer pulsweitenmodulierten (PWM) Endstufe angesteuert (was die meisten Regler tun), folgt der Motorstrom den schnellen Spannungswechseln – was zu einem großen Stromrippel führen kann. Während die PWM-Spannung und der Stromrippel keinen Einfluss auf das mechanische Verhalten des Motors haben – der Motor „sieht“ im Wesentlichen den Mittelwert von Strom und Spannung – heizen die Stromspitzen des Rippels den Motor auf. In ähnlicher Weise führen steif eingestellte Regelkreise zu starken und schnellen Stromreaktionen mit entsprechender Erwärmung.

Wie ein DC-Motor funktioniert:

Tipps, um den Stromrippel klein zu halten

Gegenmaßnahmen, um den Stromrippel klein zu halten, sind:

• Die Versorgungsspannung der PWM-Endstufe verkleinern in Fällen, wo dies aufgrund der Drehzahlanforderungen der Anwendung möglich ist.

• Die PWM-Frequenz erhöhen, um dem Stromrippel weniger Zeit zu geben, sich auszubilden.

• Eine Zusatzinduktivität (Motordrossel) in Serie zu den Motoranschlüssen anbringen. Damit wird die elektrische Zeitkonstante vergrößert und die Stromreaktion gedämpft. Diese letzte Maßnahme ist nicht sehr attraktiv. Denn sie erhöht die Kosten und benötigt extra Bauraum.

• Möglichst weiche Regelparameter wählen.

Die Maxon-Controller berücksichtigen die tiefe Induktivität der DC-Motoren von Maxon. Sie arbeiten bei hohen PWM-Frequenzen von 50 kHz bis 100 kHz und sind mit genügend Zusatzinduktivität für die meisten Motoren und Situationen ausgestattet.

BUCHTIPPDas Buch „Praxishandbuch Antriebsauslegung“ hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

Das Temperaturproblem des Kunden war schnell gelöst: Es genügte, seine überdimensionierte Steuerung durch einen Escon-Controller von Maxon zu ersetzen. Die Escon-Lösung hat weniger, aber genügend Nennleistung. Sie arbeitet mit einer höheren PWM-Frequenz als der bestehende Regler und enthält eine größere eingebaute Motordrossel. Das alleine hätte bereits viel bewirkt. Doch die Temperatur konnte sogar noch weiter gesenkt werden: Dazu wurde die Versorgungsspannung in die Nähe des absolut benötigten Minimums heruntergefahren.

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Hohe Anforderungen an DC-Motoren für chirurgische Power-Tools

Wenn Chirurgen im Operationssaal einen Eingriff vornehmen, greifen sie zu akkubetriebenen Werkzeugen. Diese müssen präzise und zuverlässig sein und über tausend Sterilisationszyklen überstehen. Das stellt auch hohe Anforderungen an die Mikromotoren. Die chirurgischen Handgeräte erinnern optisch stark an Maschinen von Handwerkern, müssen aber viel höhere Anforderungen erfüllen, was Präzision, Wärmeentwicklung und Vibration anbelangt. Auch Zuverlässigkeit ist ein wichtiger Punkt. Dasselbe gilt für die Gleichstrommotoren, welche die Power-Tools antreiben. Besonders geeignet sind deshalb bürstenlose DC-Antriebe, da sie sich durch eine lange Lebensdauer und hohe Drehzahlen auszeichnen.

„Die Betriebsbedingungen für Motoren in chirurgischen Handwerkzeugen sind brutal“, beschreibt es Anthony Mayr, Senior Project Leader bei Maxon Motor. Die Antriebe müssen sehr starken Vibrationen standhalten. Hinzu kommen hohe Temperaturen in Überlastzuständen (entweder Drehmoment oder Drehzahl) sowie der Kontakt mit Feuchtigkeit und alkalischen Lösungen wegen der strengen Sterilisierungs- und Reinigungsanforderungen. Mayr erklärt: „Die DC-Motoren und Getriebe von Maxon funktionieren unter all diesen Bedingungen.“ Dazu beigetragen haben auch die umfangreichen Entwicklungen und Tests im Maxon eigenen Labor.

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* Dr. sc. Nat. Urs Kafader ist Schulungsleiter bei der maxon motor ag.

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