DC-Motor Vier Tipps für die Wahl eines DC- oder BLDC-Motors

Bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren haben beide ihre Vor- und Nachteile. Doch welcher Typ eignet sich besser für die jeweilige Anwendung? Hier finden Sie Tipps.

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Wer in der Antriebstechnik auf kompakte Gleichstrommotoren setzt, muss zuerst eine Wahl treffen: zwischen bürstenbehafteten (DC) und bürstenlosen (BLDC) Motoren. Der nachfolgende Text soll ein Leitfaden sein, um den richtigen Motorentyp für eine bestimmte Anwendung auszuwählen.

Lebensdauer schwer vorhersagbar

Das Kommutierungssystem mit Bürsten limitiert die Lebensdauer des DC-Motors. Normalerweise erreicht man damit einige Tausend Stunden, im besten Fall vielleicht 10.000 h. Die Lebensdauer kann aber auch schon nach weniger als 100 h vorbei sein. Eine genaue Voraussage ist kaum möglich, da es keine verlässlichen Berechnungen gibt. Vieles hängt von der Belastung ab: Hoher Strom, hohe Drehzahl, Umkehrbetrieb und hohe Vibrationen verringern die Lebensdauer. Oft braucht es deshalb einen Vergleich mit einer ähnlichen Anwendung. Bei bürstenlosen DC-Motoren begrenzen die Kugellager die Lebensdauer des Motors, was ziemlich präzise abgeschätzt werden kann. Typischerweise sind die Lager für mehrere 10.000 h ausgelegt.

TIPP: Nach wie vor gilt: Für viele Anwendungen reicht eine Betriebsdauer von einigen 1000 h locker aus.

Drehzahl und Drehmoment prüfen

Als Ausgangspunkt betrachten wir einen bürstenbehafteten DC-Motor gegebener Baugrösse. Damit kann man Drehzahlen bis maximal 20.000 min^-1 erreichen. In den meisten Fällen liegt die Grenzdrehzahl aber unter 10.000 min^-1. Bei höheren Drehzahlen nimmt die Lebensdauer des Motors aufgrund steigender elektrischer und mechanischer Abnützung massiv ab. Ein von der Baugrösse und magnetischem Aufbau vergleichbarer bürstenloser DC-Motor kann bei viel höheren Drehzahlen betrieben werden, in Einzelfällen über 100.000 min^-1. Solche Antriebe sind somit perfekt geeignet in Anwendungen, die viel Speed verlangen: Etwa für Industrie-Schneider, -Fräser und gewisse Lüfter.

Interessant ist, dass bürstenlose Motoren oft mehrpolig ausgeführt werden. Dies vergrößert das Drehmoment, allerdings auf Kosten der Drehzahl. Denn viele Anwendungen benötigen die extrem hohen Drehzahlen nicht; etwas mehr Drehmoment dagegen ist sehr willkommen. Und dennoch gilt: Einer der Hauptvorteile der bürstenlosen Motoren sind die höheren Drehzahlen, die diese Motoren erreichen.

TIPP: Beachten Sie: Diese Ausführungen sind nur Trends. Welche Drehzahlen und Drehmomente möglich sind, muss spezifisch beim jeweiligen Motortyp abgeklärt werden.

Umgebungsbedingungen beachten

Das Bürstensystem von Gleichstrommotoren kann bei speziellen Anwendungen zu Komplikationen führen:

• Bürstenfeuer verursacht elektromagnetische Störungen, die eventuell gedämpft werden müssen. In explosiven Gasen sind die Funken nicht gerade willkommen. Allerdings benötigt auch ein bürstenloser Motor Modifikationen, um explosionsgeschützt zu sein.

• Graphitbürsten erzeugen Graphitstaub, der Reinräume, Vakuum oder optische Anwendungen verunreinigen kann.

• Graphitbürsten brauchen eine gewisse Feuchtigkeit und etwas Sauerstoff in der Atmosphäre, um zu funktionieren.

• Edelmetallbürsten müssen geschmiert werden. Daraus ergibt sich, dass beide Bürstensysteme nicht für Hochvakuum-Anwendungen geeignet sind.

TIPP: Aus diesen Gründen sind die meisten Motoren für spezielle Umgebungsbedingungen bürstenlos. Dies gilt etwa für Anwendungen im Ultrahoch-Vakuum, in der Tiefenbohrung oder in sterilen Geräten für die Medizintechnik.

Ansteuerung und Betrieb im Blick

Wenn es um den Betrieb geht, gibt es keinen Motor, der so einfach zu betreiben ist wie der Gleichstrommotor mit Bürsten. Eine Spannung an den beiden Anschlüssen genügt und der Motor dreht. Dagegen ist beim bürstenlosen Motor eine zusätzliche Kommutierungselektronik nötig. Daher gestaltet sich auch die Verkabelung aufwendiger, da bis zu 8 Anschlüsse vorhanden sein können.

TIPP: Die Situation ändert sich allerdings bei geregelten Antrieben: Meist können die Regler für Drehzahl, Position oder Drehmoment mit beiden Motortypen (DC und BLDC) verwendet werden. In diesen Fällen sind die Kosten für die Elektronik und den Feedbacksensor sowie der Verkabelungsaufwand sehr ähnlich.

Bürstenbehaftete oder bürstenlose Motoren? Bei der Entscheidung spielen verschiedene Kriterien eine Rolle: Ob Sie einen bürstenbehafteten oder bürstenlosen DC-Motor verwenden, hängt von verschiedenen, technischen Kriterien ab. Aber auch Umgebungsbedingungen, Lebensdaueraspekte und ökonomische Überlegungen spielen eine Rolle. Berücksichtigen Sie alle Aspekte Ihrer Anwendung und Sie werden die richtige Lösung finden. (ud)

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* Dr. Urs Kafader ist Leiter technische Ausbildung bei Maxon Motor.

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