14.12.2018

Die große Frage

Einsatzkriterien für DC- oder BLDC-Motoren

Bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren haben beide ihre Vor- und Nachteile. Doch welcher Typ eignet sich besser für die jeweilige Anwendung? Der nachfolgende Artikel versteht sich als Leitfaden, um den richtigen Motorentyp für eine bestimmte Anwendung auszuwählen.


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

Begrenzte Lebensdauer

Das Kommutierungssystem mit Bürsten limitiert die Lebensdauer des DC-Motors. Normalerweise erreicht man damit einige tausend Stunden, im besten Fall vielleicht 10.000. Die Lebensdauer kann aber auch schon nach weniger als 100 Stunden 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 Antriebs, was ziemlich präzise abgeschätzt werden kann. Typischerweise sind die Lager für mehrere 10.000 Stunden ausgelegt. Dennoch gilt aber: Für viele Anwendungen reicht eine Betriebsdauer von einigen 1.000 Stunden locker aus.

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Unterschiede bei Drehzahl und Drehmoment

Wo liegen die Unterschiede bezüglich Drehzahl und Drehmoment? Als Ausgangspunkt wird ein bürstenbehafteter DC-Motor gegebener Baugrösse betrachtet, mit dem man Drehzahlen bis 20.000 U/min erreichen kann. In den meisten Fällen liegt die Grenzdrehzahl aber unter 10.000 U/min. 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 U/min. Solche Antriebe sind somit gut geeignet für Anwendungen, die eine hohe Dynamik verlangen: etwa für Industrieschneider, -fräser und gewisse Lüfter. Interessant ist, dass bürstenlose Motoren oft mehrpolig ausgeführt werden. Das vergrössert das Drehmoment, allerdings auf Kosten der Drehzahl. Denn viele Anwendungen benötigen die extrem hohen Drehzahlen nicht; aber etwas mehr Drehmoment ist sehr willkommen. Und dennoch: Einer der Hauptvorteile der bürstenlosen Motoren sind die höheren Drehzahlen. Zu beachten ist, dass die genannten Ausführungen nur Trends sind. Welche Drehzahlen und Drehmomente möglich sind, muss spezifisch beim jeweiligen Motortyp abgeklärt werden.

Spezielle Umgebungsbedingungen

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

  • • Bürstenfeuer verursacht elektromagnetische Störungen, die eventuell gedämpft werden müssen. Im Umfeld von explosiven Gasen dürfen solche Funken natürlich nicht auftreten. 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 gut zu funktionieren.
  • • Edelmetallbürsten müssen geschmiert werden. Daraus ergibt sich, dass beide Bürstensysteme nicht für Hochvakuumanwendungen geeignet sind.

Aus diesen Gründen sind die meisten Motoren für spezielle Umgebungsbedingungen bürstenlos. Dass gilt nicht nur für Anwendungen im Ultrahochvakuum, sondern auch für den Einsatz bei der Tiefenbohrung oder in sterilen Geräten der Medizintechnik.

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Ansteuerung und Betrieb

Wenn es um den Betrieb geht, gibt es keinen Motor, der so einfach zu betreiben ist wie ein Gleichstrommotor mit Bürsten. Eine Spannung an den beiden Anschlüssen genügt und der Motor dreht. Dagegen ist beim bürstenlosen Motor eine zusätzliche Kommutierungselektronik nötig. Die Verkabelung ist aufwendiger, da bis zu acht Anschlüsse vorhanden sind. 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 Feedback-Sensor sowie der Verkabelungsaufwand recht ähnlich.

Zusammenfassung

Bürstenbehaftete oder bürstenlose Motoren? Bei der Entscheidung spielen verschiedene Kriterien eine Rolle: Ob Sie einen bürstenbehafteten oder bürstenlosen DC-Motor verwenden, hängt von verschiedenen Kriterien ab:

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

Ob man sich für DC- oder BLDC-Motoren entscheiden sollte, hängt am Ende von technischen Erwägungen ab. Aber auch Umgebungsbedingungen, Lebensdaueraspekte und ökonomische Überlegungen spielen eine Rolle. Anwender müssen alle Aspekte der jeweiligen Anwendung berücksichtigen, um die richtige Lösung zu finden. Im Zweifelsfall können Experten wie die Mitarbeiter von Maxon Motor bei der Antriebsauswahl unterstützen.

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