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Antrieb Mit oder ohne Bürste: Welcher Elektromotor ist der richtige?

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Je nach Einsatz und Umgebung bieten sich in der Praxis entweder bürstenbehaftete oder bürstenlose Motoren mit ihren jeweiligen Vorzügen an: ein Vergleich.

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Bürstenbehaftete Motoren mit gewickeltem Läufer und Ständer erreichen hohe Drehzahlen und lassen sich einfach über die Spannung regeln.
Bürstenbehaftete Motoren mit gewickeltem Läufer und Ständer erreichen hohe Drehzahlen und lassen sich einfach über die Spannung regeln.
(Bild: Groschopp)

Ob es besser ein bürstenloser Induktions- beziehungsweise Servomotor oder aber ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor sein soll, hängt im Wesentlichen von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Faktoren wie Energieeffizienz, Lebensdauer, erforderliche Drehzahlen und Überlastfähigkeit, aber auch die Anschaffungskosten spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Wie Motoren mit Bürste funktionieren

Die Kohlebürste ist ein Gleitkontakt in Motoren oder Generatoren. Sie stellt den elektrischen Kontakt zum Kollektor oder zu den Schleifringen des rotierenden Teils der Maschine her. Heute bestehen Kohlen aus einer Legierung von Graphit und metallischen Komponenten. Die Legierungen sind je nach Einsatz und Stromdichte unterschiedlich. Die stetige Abnutzung der Kohlen erfordert eine regelmäßige Wartung bzw. einen Austausch. Durch den entstehenden Kohlenstaub eignet sich dieser Motorentyp für bestimmte Einsätze weniger, zum Beispiel in der Textilindustrie, in Reinräumen, im Vakuum oder in optischen Anwendungen. Ein weiterer kritischer Punkt ist die schwierigere Funkentstörung durch das Bürstenfeuer – sprich der Aufwand, der betrieben werden muss, um benachbarte Geräte gemäß der EMV-Richtlinie vor elektromagnetischen Störungen zu schützen. Auch der Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ist durch die Entstehung von Funken in der Regel nicht gegeben.

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Anwendungen für bürstenbehaftete Motoren

In welchen Anwendungen macht der Einsatz von bürstenbehafteten Motoren also Sinn? Von Vorteil ist, dass diese eine große Überlastfähigkeit besitzen, was unter anderem eine wichtige Anforderung in der Energieverteilung ist. „Dort sitzen unsere Gleichstrommotoren beispielsweise in den Leistungsschaltern für die Hoch- und Mittelspannung“, erzählt Wolf Meyer, Produktmanager bei Groschopp. Der Schalterbau benötigt Antriebe, die zuverlässig funktionieren, auch wenn sie ein ganzes Jahr nicht gelaufen sind und zum Beispiel nur für Wartungsarbeiten kurzzeitig beaufschlagt werden. „So lassen sich Hochspannungsnetze warten, ohne dass der Motor durch die hohe Überlast Schaden nimmt“, erklärt Meyer.

Kommutatormotoren von Groschopp kommen aber nicht nur in elektrischen Schaltanlagen für Mittel- und Hochspannung, sondern auch in Spezialpumpen sowie in der industriellen Automatisierung zum Einsatz. Sie brauchen keine externe Leistungselektronik und sind dadurch entsprechend günstig in der Anschaffung. „Bürstenbehaftete Motoren mit gewickeltem Läufer und Ständer erreichen hohe Drehzahlen und lassen sich einfach über die Spannung regeln, ohne dass ein zusätzlicher Regler eingesetzt werden muss“, weiß Meyer.

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Das 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.

Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie unterschiedlich gestalten

Bei bürstenbehafteten Motoren lässt sich die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie unterschiedlich gestalten. Das heißt, der Aufbau eines Neben-, Reihen- oder Doppelschlussmotors kann spezifisch nach Anwendung erfolgen. So ist zum Beispiel beim Einsatz in einer Bohrmaschine ein Reihenschlussmotor von Vorteil, denn je nach Last verändert sich auch die Drehzahl. Reihenschlussmotoren können zudem mit Gleich- oder Wechselspannung betrieben werden.

Nebenschlussmotoren werden gerne verwendet, wenn kon­stante Drehzahlen bei hoher Belastung gefordert sind wie bei einer Kreissäge oder einem Bandantrieb. Im Schalterbau vereint ein Doppelschlussmotor weitgehend die Vorteile eines Reihen- und Nebenschlussmotors mit einem erhöhten Anlaufmoment. Neben- und Doppelschlussmotoren können nur mit Gleichspannung betrieben werden.

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Kundenspezifische Antriebslösungen von Groschopp

Fertigungslinie bei Groschopp
Fertigungslinie bei Groschopp
( Bild: Groschopp )

Ob bürstenbehaftet oder bürstenlos: Die hauseigene Fertigung bei Groschopp ermöglicht Sonderlösungen für die Wicklungen aller Motoren, um den Antrieb individuellen Gegebenheiten bezüglich Spannung und Leistung anzupassen. Auf Kundenwunsch werden außerdem Modifikationen an Kabeln, Steckern oder der Mechanik durchgeführt. Dazu gehören unter anderem Anpassungen von Welle und Flansch sowie die Konfiguration des Reglers etwa mit alternativen Schnittstellen. Auch Kombinationen mit verschiedenen Getrieben und Frequenzumrichtern sind je nach Motortyp und Anwendung realisierbar.

Alternativ bietet Groschopp Gleichstrommotoren mit einem Permanentmagneten anstelle eines gewickelten Ständers in unterschiedlichen Leistungsklassen an. Permanenterregte Motoren verhalten sich ähnlich wie Nebenschlussmotoren, haben jedoch ein höheres Anlaufmoment. Die einfache Verschaltung und die entfallende Erregerleistung bieten vor allem Vorteile im Batteriebetrieb, da der Ständer nicht extra gespeist werden muss. Außerdem bieten sie ein hohes Drehmoment und einen hohen Wirkungsgrad bei geringem Bauvolumen.

Bürstenlose Motoren für den dauerhaften Einsatz

„Im Dauerbetrieb bieten bürstenlose Motoren entscheidende Vorteile“, berichtet Christian Skaletz, Produktmanager bei Groschopp. Mit der EGK-Serie bietet das Unternehmen beispielsweise elektronisch kommutierte Servomotoren, die für eine sinusförmige Bestromung optimiert wurden und daher auch als Drehstrom-Synchron-Motor bezeichnet werden. Die Weiterentwicklung der aktiven Kernelemente Stator, Rotor und der Magnete sowie der Einsatz einer modernen Einzelzahnwicklung hat die Leistungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen Servomotoren gesteigert.

Die bürstenlosen AC-Motoren produzieren ein konstantes und gleichförmiges Drehmoment – vor allem bei niedrigen Drehzahlen. Darüber hinaus zeichnen sich die Niederspannungs-Servomotoren laut Hersteller durch eine sehr hohe Leistungsdichte, Positioniergenauigkeit und Energieeffizienz sowie eine geringere Geräusch- und Wärmeentwicklung aus.

„Unser EGK 65-30 verfügt optional über einen integrierten Servoregler, sodass sich Verdrahtungsaufwand und Platzbedarf des Motors auf ein Minimum reduzieren“, erzählt Skaletz weiter. Der Schaltschrank soll so kleiner ausgelegt werden können oder komplett entfallen. Der bürstenlose Servomotor lässt sich zudem ohne größeren Aufwand direkt in ein batteriebetriebenes System integrieren und eignet sich damit für mobile Anwendungen, die hochdynamische Beschleunigungs- und Bremsvorgänge, hohe Wirkungsgrade oder einen gleichmäßigen, ruhigen Lauf für die Drehmoment- und Drehzahlregelung erfordern. Beispielsweise kommen in der Logistik vermehrt autonome Shuttle-Systeme und führerlose Flurförderzeuge zum Einsatz, die mit Batterien betrieben werden. Oft wird dort eine Systemspannung von 24 V und 48 V verwendet. „Servomotoren mit integrierter Regelung sind hier im Vorteil“, weiß Christian Skaletz. So haben permanentmagneterregte Gleichstrommotoren zwar eine ähnliche Kennlinien-Charakteristik wie Servomotoren, allerdings sind Letztere effizienter als bürstenbehaftete Motoren und bieten noch bessere Laufeigenschaften. Eigenschaften wie der geringere Verschleiß, die Lageerfassung und geringere Lautstärke sowie ein hoher Wirkungsgrad sind besonders vorteilhaft – wirken sich jedoch auch auf die Preisgestaltung des Motors aus.

AC-Motoren als kostengünstige, bürstenlose Alternative

Eine kostengünstigere, bürstenlose Alternative bieten die Dreh- und Wechselstrommotoren von Groschopp. Der Hersteller hat in diesem Bereich ein breites Spektrum an Gehäuse und Einbaumotoren im Programm. Sie haben in der Regel eine fest eingestellte Drehzahl, die bei 1400 min-1 (4-polig) oder bei 2800 min-1 (2-polig) liegt. Die Vorteile dieser Induktionsmotoren sollen in ihrem robusten Aufbau und gutem Preisleistungsverhältnis liegen.

Induktionsmotoren haben eine mehrsträngige, verteilte Wicklung im Stator. Durch die Bestromung mit Wechsel- oder Drehstrom entsteht ein Drehfeld durch das der Rotor angetrieben wird. Die Rotornuten sind mit einem leitfähigen Metall ausgegossen. Die Stäbe sind an beiden Seiten über einen Ring kurzgeschlossen. Deshalb bezeichnet man die Motoren auch als Kurzschlussläufer. Das Drehfeld des Ständers induziert Ströme in den Rotorkäfig. So entstand die Bezeichnung Induktionsmotor. Die induzierten Rotorströme erzeugen magnetische Pole, die dem Stator-Drehfeld folgen. Nach dem Induktionsgesetz werden Rotorströme nur dann induziert, wenn der Rotor sich relativ zum Statordrehfeld bewegt. Das heißt, ein Drehmoment wird nur erzeugt, wenn die Rotordrehung relativ zum Statordrehfeld nicht synchron ist. Deshalb nennt man solche Motoren auch Asynchronmaschine.

Seminartipp

Die Grundkenntnisse, wie sich Servoantriebe optimal parametrieren lassen und wie die Steuerungs- und Regelfunktionen bei Motion Controllern beherrscht werden, lernen Teilnehmer im Grundlagenseminar Servoantriebe.

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