BLDC Motor: Wenn der DC Motor an seine Grenzen kommt
- Details
- Zugriffe: 14598
Kommt ein mechanisch kommutierter DC Motor lebensdauer- oder leistungstechnisch an seine Grenzen, wird es Zeit, die Anwendung auf bürstenlose Gleichstrommotoren umzustellen. Die Nachfrage nach bürstenlosen Gleichstrommotoren ist ungebrochen – Tendenz steigend. Hierauf hat sich Koco Motion eingestellt und bietet ein umfangreiches BLDC Programm, das (fast) keine Anwenderwünsche offen lässt. Erfahren Sie hier viel Wissenwertes zu den kleinen Elektromotoren:
Inhalt
BLDC Motor Neuheiten
Intelligence in Motion aus dem weltweiten Netzwerk
21.10.2023 | Koco Motion präsentiert zur SPS vom 14. bis 16. November 2023 in Nürnberg seine Expertise für maßgeschneiderte Antriebslösungen, u. a. basierend auf DC- und BLDC-Motoren. Auf dieser Basis bedient das Systemhaus die wachsende Nachfrage nach kundenspezifischen Antrieben.
Bürstenlose DC Außenläufer mit hoher Leistungsdichte
11.12.2019 | Bürstenlose Außenläufermotoren kombinieren einen kleinen Bauraum mit einer hohen Leistungsdichte. Koco Motion präsentiert mit dem BO6452N3B einen Neuzugang in der Produktfamilie, der dank Material- und Magnetauswahl beeindruckende Kennwerte bietet. Aus kleinen Baugrößen lassen sich Leistungen im vierstelligen Bereich erzeugen.
Das Portfolio an diesen bürstenlosen DC-Motoren von Koco Motion umfasst Antriebe mit einem Durchmesser von 10 bis 90 mm. Die Außenläufermotoren können vielfach mit Hall-Sensoren und häufig mit Steuerungen und Treibern ausgestattet werden. Die Ansteuerung ist einfach und der Außenläufermotor lässt sich kundenspezifisch anpassen.
Der neue Außenläufermotor BO6452N3B wurde für die extreme Anwendungen in Elektrowerkzeugen wie Schraubern, Bohrern oder Gartentools konzipiert. Durch den Einsatz von hochfestem Aluminium konnte das Gewicht reduziert werden. Zudem verfügt der Motor über sehr starke Magnete. Beide Features führen zu beeindruckenden Kennwerten: Mit 65 mm Durchmesser und 52 mm Höhe liefert der DC Motor mehr als 2 kW Leistung.
Integrierte Temperatursensoren überwachen das thermische Verhalten der Außenläufermotoren und schützen sie so vor Überhitzung.
Kundenspezifische BLDC Antriebe mit integrierter Elektronik
19.08.2015 | Immer wieder ist es die Lebensdauer, die einen mechanisch kommutierten DC Motor aufgrund der Funkenerosion und mechanischen Reibung an seine Grenzen bringt. Sobald Anwendungen aber eine entsprechend hohe Laufzeit benötigen, bieten sich die bürstenlosen Gleichstrommotoren von Koco Motion als Alternative an, weil sie elektrisch kommutiert werden. Nur der Verschleiß von Gleit- oder Kugellagern begrenzt hier noch die Lebensdauer.
Allerdings vermeiden viele Konstrukteure den Einsatz sogenannter Brushless DC Motoren, weil diese eine weitere Elektronik zu ihrem Controller erfordern. Eine Lösung für alle, die es einfacher haben möchten, bietet nun der Dauchinger Hersteller und Distributor kompakter, hochintegrierter, elektrischer Antriebe und Controller mit seiner Baureihe an bürstenlosen DC Motoren mit integrierter Elektronik.
Zum Einsatz kommen eisenbehaftete Motoren, die sich mittels Hall-Sensoren und der integrierten Elektronik sehr einfach regeln lassen. Sie bieten alle Vorteile eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Insbesondere hinsichtlich Entstörung und Lebensdauer sind die Unterschiede je nach Anwendung im Vergleich zu bürstenbehafteten DC Motoren erheblich.
Gleichstrommotor als Allroundtalent für unzählige Applikationen
Die BLDC Motoren sind einfach aufgebaut. Die integrierte Elektronik ist auf den jeweiligen Antrieb hin optimiert. Die Baugrößen der Motoren liegen zwischen 16 und 90 mm Durchmesser und bieten Leistungen von 0,5 bis 400 W. Bei vielen Versionen besteht die Wahl zwischen dem Einsatz von Gleit- oder Kugellagern.
Bürstenlosen Gleichstrommotor individuell auslegen
Der Antriebsspezialist passt die Antriebe auf Wunsch individuell an die jeweilige Applikation an. Die vom Anwender dazu übermittelten Daten fließen unmittelbar in die Fertigung als Produktmodifikation ein. Bereits in der Bemusterungsphase wird der BLDC Motor optimal an die Anforderungen angepasst. Modifikationen an mechanischen Bauteilen können ebenfalls vorgenommen werden, da statt der Produktion von Lagerware die kundenspezifische Lösung im Vordergrund steht.
Die BLDC Motoren verfügen über einen PWM- (Puls-Weiten-Modulation) Eingang, über den eine Drehzahlregelung möglich ist. Der Frequenzbereich liegt üblicherweise zwischen 5 bis 30 kHz. Über den Ausgang können motorabhängige Encoder-Signale von 2 bis 6 Pulsen gesendet werden. Ab einem Durchmesser von 36 bis 60 mm verfügen die Motoren über eine Kurzschlussbremse.
BLDC-Motoren mit und ohne Getriebe
Die BLDC-Motoren sind auch mit verschiedenen Getrieben lieferbar. Die kleinste Getriebekombination dieser Bauart hat einen Durchmesser von 16 mm. Die bürstenlosen DC Motoren eignen sich für alle Start-Stopp- und Dauerlaufapplikationen. In Kombination der standardisierten Bauform mit großen Stückzahlen lässt sich ein optimales Preis-Leistungsverhältnis erzielen. Weitere Einsatzfälle finden sich in Lüftern, Pumpen, Automobilen, Haushaltsgeräten, Büromaschinen oder auch Elektrowerkzeugen – kurzum: überall dort, wo hohe Lebensdauer nicht viel kosten darf.
BLDC Miniatur Servomotor mit Encoder und Planetengetriebe
17.12.2013 | Koco Motion präsentiert ein neues Miniatur-Servosystem, bestehend aus einem schlanken Brushless Servomotor mit Encoder und Planetengetriebe. Seit zwei Jahren ist Koco Motion exklusiver Vertriebspartner von Constar, einem Entwickler und Hersteller von DC-Glockenläufern, bürstenlosen Gleichstrommotoren sowie kundenspezifischen DC-Motoren.
Der Miniatur-Servomotor misst nur 12 mm im Durchmesser und erreicht eine Dauerleistung von 1,1 W. Der Encoder hat 256 Linien, 2 Kanäle und Null Index. Das Planetengetriebe ist für ein zulässiges Dauerdrehmoment von bis zu 0,2 Nm ausgelegt. Das Produktportfolio an Gleichstrommotoren der Dauchinger reicht nun von 10 mW bei einem Durchmesser von 4 mm bis 100 Watt bei einem Durchmesser von 75 mm.
Anwendung findet das neue Antriebssystem bereits in medizinischen Geräten wie dem Multilamellenkollimator. Das Gerät wird in der Strahlentherapie an einem Linearbeschleuniger angebracht, um den Behandlungsstrahl an die Form des zu behandelnden Objektes anzupassen.
Fachartikel
BLDC Motor mit individueller Ansteuerung
09.01.2018 | Durch die elektronische Kommutierung bei Gleichstrommotoren können je nach Anwendung Lebensdauern von über 20.000 Betriebsstunden erreicht werden. Einzig die Lager unterliegen hier noch dem Verschleiß.
Motorarten von bürstenlosen Gleichstrommotoren
Die BLDC Motoren werden in zwei Bauformen angeboten: als Innenläufer und Außenläufer. Sie unterscheiden sich bekanntermaßen in der Position von Stator und Rotor: Beim Innenläufer befinden sich die Permanentmagnete (Rotor) und damit der der rotierende Teil innen. Sie werden von den Wicklungen, sprich dem ruhenden Teil (Stator) umschlossen. Beim Außenläufer BLDC Motor umschließen die Permanentmagneten (Rotor) die Wicklungen (Stator). Alle bürstenlosen DC-Motoren haben grundsätzlich eine 3-phasige Wicklung.
Innenläufer BLDC Motoren haben eine größere Leistungsdichte, wodurch auf einem kurzen Bauraum ein hohes Drehmoment erreicht werden kann. Hingegen ist das Trägheitsmoment beim Außenläufer deutlich höher als bei einem baugleichen Innenläufer. Die jeweils eingesetzte Bauform hängt schließlich vom zur Verfügung stehenden Bauraum und der benötigten Performance ab, die die Anwendung erfordert.
Lebensdauer Champion Innenläufer
Innenläufer gibt es in einem genuteten Design (slotted) und einem ungenutetem Design (slotless). In der genuteten Bauform bietet der Antriebsspezialist Motoren im Durchmesserbereich von 16 bis 36 mm sowie mit quadratischem Frontflansch von 42 x 42 bis 110 x 110 mm. Die BLDC Motor Wicklung im ungenuteten Statordesign zeichnen sich unter anderem durch ein fehlendes Rastmoment aus, wodurch sie einen sehr gleichmäßigen Lauf und gute Regelbarkeit bieten.
Außerdem können diese BLDC Motoren auch in sehr kleinen Bauformen hergestellt werden. Es gibt diese schon ab Durchmessern 8 bis 40 mm im Leistungsbereich von unter 1 bis ca. 150 W. Typische Anwendungen für die ungenutete Ausführung sind Miniaturpumpen, optische Scannerantriebe, hochwertige Spielwaren oder feinfühlige Positionieranwendungen wie sie beispielsweise in Greifern zu finden sind.
Leistungs-Ass Außenläufer Motor
Außenläufer BLDC Motoren bieten durch die spezielle Magnetkonstruktion im Rotor eine sehr hohe Leistungsdichte bei minimierter Baulänge und insgesamt kleinem höherem Leistungsvolumen. Sie eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen: In der Elektromobilität werden die Außenläufer beispielsweise in Drohnen und als Direktantriebe verwendet oder solch ein bürstenloser Gleichstrommotor findet in Haushaltsrobotern Einsatz. Ein BLDC-Motor ist aber auch prädestiniert für z. B. optische Geräte, Stellantriebe, Gebläse, Absaugungen und Pumpen.
Angeboten werden diese Außenläufer Motoren in Durchmessern von 13 bis 98 mm, wobei der größte Motor bereits Leistungen im einstelligen kW Bereich erreichen kann. Weitere Abmessungen, Größen und kundenspezifische Anpassungen nehmen die Spezialisten in Dauchingen gerne vor. Und so ist auch eine Integration von Steuerungen in die BLDC Motoren in vielen Fällen möglich.
Individuell ansteuerbarer BLDC
Die Ansteuerungen der BLDC Motoren kann für sensorlose Motoren oder für Motoren mit Hallsensoren erfolgen. Als Basis hierfür stehen verschiedene Elektroniken zur Verfügung, die sich kunden- und/oder projektbezogen an den Antrieb anpassen lassen.
So kann beispielsweise die Drehzahl Regelung des vom BLDC-Motor über ein PWM- (Puls-Weiten-Modulation) oder Analogsignal erfolgen. Die jeweilige anzulegende Steuerspannung des BLDC Motors ist kundenspezifisch anpassbar. In vielen Fällen können zudem mit fester Drehzahl gearbeitet oder den Controller in den Antrieb integriert werden.
Die Konzepte reichen von der einfachen Drehzahlregelung auf einer Platine bis hin zur Integration von zum Beispiel Folientastaturen in das Antriebskonzept. Eine Lösung als einfache Steuerplatine bis hin zur eingehausten Lösung für die Schaltschrankmontage ist jederzeit auf Wunsch möglich.
BLDC Motor mit und ohne Eisen elektronisch kommutiert
13.02.2014 | Die Nachfrage nach Antrieben mit längerer Lebensdauer wächst in allen industriellen Bereichen. Erst vor einem Jahr hat Koco Motion bürstenlose Gleichstrommotoren in sein Portfolio aufgenommen. Heute bietet er bereits eine Produktpalette, die fast keine Wünsche offen lässt.
„Bürstenlose Gleichstrommotoren gibt es schon seit Ende der 70er Jahre, damals vornehmlich in Lüftern eingebaut. Mit der Miniaturisierung der elektronischen Bauteile setzten sie sich nach und nach auch bei vielen weiteren Anwendungen durch. Heute werden sie in großen Stückzahlen überall dort eingesetzt, wo es auf hohe Standzeiten ankommt“, so Gerhard Kocherscheidt, Geschäftsführer der Koco Motion GmbH in Dauchingen. „Wir haben sie im letzten Jahr bei uns eingeführt, weil der Markt verstärkt nach langer Lebensdauer und Wartungsfreiheit für diese Art von Antrieben fragt“, so Kocherscheidt.
Servomotor und Servoverstärker vorausschauend gewartet mit KI
Die Bezeichnung von bürstenlosen Gleichstrommotoren ist vielseitig: Brushless DC Motor, kurz BLDC oder BL-Motor sowie auch electronically commutated Motor, kurz EC-Motor. Bei den bürstenlosen Gleichstrommotoren werden die mechanischen Kontakte in der Kommutierung, sprich die Bürsten, durch ein kontaktloses, elektronisches System ersetzt. Damit eliminiert man einige Nachteile und erhöht drastisch die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Motors, die nun hauptsächlich von der Standzeit der Wellenlagerung abhängen.
Außerdem macht es diesen nun wartungsfreien BLDC Motor nichts aus, wenn sie durch höhere Drehzahlen und kurzfristige Drehmomentspitzen überbelastet werden. Sie bieten hervorragende Eigenschaften zur Drehzahlregulierung und entwickeln nur geringe Störsignale. Zusätzlich eignen sie sich zum Betrieb in rauer Umgebung. Beim BLDC Motor gibt es Ausführungen mit genutetem Blechpaket oder als nutenlose Konstruktion. Letztere sind eisenlos und bieten gegenüber dem eisenbehafteten Motor zahlreiche Vorteile, die es mit etwas höhere Preise gibt: Es entstehen keine Rastmomente und Eisenverluste. Der Rotor hat eine geringere Massenträgheit, läuft leiser sowie vibrationsärmer und lässt sich besser positionieren.
Aufbau und Wirkungsweise büstenloser Gleichstrommotoren
Bei den bürstenlosen Gleichstrommotoren erfolgt die Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter, sprich die Kommutierung, nicht mehr mechanisch über die Bürsten sondern elektronisch. Die aktiven Elemente sind hier umgekehrt angeordnet wie beim bürstenbehafteten Motor: Die Permanentmagnete sind fest mit dem Rotor bzw. Läufer verbunden, während die Wicklungen im Stator bzw. Ständer untergebracht sind. Beim Fließen eines elektrischen Stroms in den Wicklungen bildet sich im Stator ein Magnetfeldfeld heraus, welches die Permanentmagnete im Rotor entsprechend der Polarität anzieht.
So entsteht eine Kraftwirkung, die ein Drehmoment am permanent erregten Rotor erzeugt. Nachdem dieser sich entsprechend dem im Stator erzeugten Magnetfeldes ausgerichtet hat, würde die Drehbewegung enden. Damit dies nicht passiert, muss der Stromfluss in den Wicklungen von einer elektrischen Schaltung so umgeschaltet werden, dass sich das erzeugte Magnetfeld weiterdreht. Bei den EC-Motoren werden üblicherweise Dreiphasensysteme eingesetzt.
Kommutierung des EC-Motors
EC-Motoren bieten die Möglichkeit, die elektronische Kommutierung in Abhängigkeit von Rotorposition und -drehzahl sowie Drehmoment auszuführen. Um Rotorposition und Drehzahl zu erfassen, gibt es verschiedene Möglichkeiten:
Bei der sensorlosen Kommutierung erfolgt die Erfassung der Rotorposition über die in den Spulen des Stators induzierte Gegenspannung. Der Rotor startet in irgendeine Richtung, wobei die Elektronik im Nulldurchgang erkennt, ob es die richtige ist. Ist das der Fall, wird weiter beschleunigt. Dreht der Motor in die falsche Richtung, wird die Drehrichtung korrigiert und dann weiter beschleunigt. Diese Kommutierungsart eignet sich sehr gut für Dauerläufer bei hohen Drehzahlen wie sie bei Lüftern oder Propellerantrieben in Modellhubschraubern vorkommen.
Bei der sensorgesteuerten Kommutierung erfassen drei um 120 Grad versetzte Hallsensoren die Stellung des Rotors, indem sie entsprechende Schaltsignale geben. Entsprechend dieser Stellungsinformation werden über geeignete Leistungstreiber von der Steuerelektronik die Wicklungen angesteuert, die im Rotor ein Drehmoment erzeugen. Die sensorgesteuerte Kommutierung funktioniert auch bei sehr geringen Drehzahlen oder im Stand. Gewöhnlich werden bei dieser Kommutierung bei drei oder mehr Phasen nicht alle Phasen zugleich bestromt. Zumindest eine Phase bleibt hier zu jedem Zeitpunkt stromlos. Mit diesem Prinzip lassen sich hochdynamische Antriebe realisieren und die Drehzahl regeln. Positionierungen sind nur mit der groben Auflösung der Hallsensoren möglich. Die sensorgesteuerte Kommutierung ist beispielsweise prädestiniert für den Einsatz in kleinen Pumpen, Scannern oder Propellerantrieben.
Gleichstrommotor als Allroundtalent für unzählige Applikationen
Ein weiteres Prinzip ist die Kommutierung über Hallsensoren zusammen mit hochauflösenden Encodern: Diese Version benötigt eine aufwändigere Steuerung mit Lageregler. Mit ihr lässt es sich sehr genau entsprechend der Encoder Auflösung positionieren und so hochdynamisch wie bei einem Servoantrieb regeln. Einsatzfälle für diese aufwändigste Art der Kommutierung finden sich zum Beispiel als Positionierantriebe in Mikroskopen und medizinischen Geräten sowie in Kartenlesern.
Für anspruchsvolle Applikationen bietet sich die Vektorregelung an. Im Gegensatz zum Betrieb am Dreiphasennetz passt sich hier nicht die Rotorlage passiv der Spannung und dem Drehmoment an, sondern die Spannungen aller Phasen aktiv an Rotorlage und gewünschtem Drehmoment. Dazu werden alle Phasen mit sinusförmiger Spannung angesteuert und zeitgleich bestromt.
Wunschlos glücklich BLDC Portfolio
In den letzten Monaten hat Koco Motion das Programm der Bürstenlosen DC-Motoren sukzessive ausgebaut und bietet nun elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren mit nutenlosem Stator sowie eisenbehaftete BLDC Motoren. Wie vielseitig das Portfolio ist, zeigen allein schon die Partner, mit denen die Dauchinger Antriebsspezialisten zusammenarbeiten: "Wir haben Exklusivverträge mit ausschließlich zertifizierten Firmen geschlossen wie Constar, Hengdrive, Dinko und Yunkong sowie eine Kooperation mit Leadshine. Unser aktuelles Produktprogramm bietet Lösungen für die meisten aller Anwendungsfälle", so der Geschäftsführer.
Eisenlose Gleichstrommotoren
„Eines unserer neuesten Produkte ist ein Miniatur-Servosystem, bestehend aus einem schlanken Brushless Servomotor mit Encoder und Planetengetriebe“, verweist der Geschäftsführer auf die auf der letzten SPS IPC Drives erstmals vorgestellte Innovation. Der Miniatur-Servomotor misst nur 12 mm im Durchmesser und erreicht eine Dauerleistung von 1,1 W. Der Encoder hat 256 Linien, 2 Kanäle und Null Index. Das Planetengetriebe ist für ein zulässiges Dauerdrehmoment von bis zu 0,2 Nm ausgelegt. Anwendung findet das neue Antriebssystem bereits in medizinischen Geräten wie dem Multilamellenkollimator – ein Gerät, das in der Strahlentherapie an einem Linearbeschleuniger angebracht wird, um den Behandlungsstrahl an die Form des zu behandelnden Objektes anzupassen.
BLDC Motor für hohe Laufruhe und lange Laufzeit
Das Portfolio vom Fertigungspartner Constar, einem Entwickler und Hersteller von DC Glockenläufern, bürstenlosen Gleichstrommotoren sowie kundenspezifischen DC-Motoren, umfasst nun elf Baureihen und reicht von 10 mW bei einem Durchmesser von 4 mm bis 100 W bei einem Durchmesser von 75 mm. Die Leerlauf-Drehzahlen betragen 4000 bis 50.000 min-1. Die eisenlosen- oder auch Slotless BLDC-Motoren gibt es mit mechanischer und elektronischer Kommutierung. Die bürstenlosen Gleichstrommotoren mit nutenlosem Stator sind meist 3-phasig ausgeführt. Es gibt sie mit und ohne Hall-Sensoren. Bei der Ausführung ohne die Hall-Sensoren nutzt man die Elektromagnetische Kraft (EMK) zur Drehzahlerkennung.
Wurden sie mit Hall-Sensoren und /oder mit Encoder ausgestattet eignen sie sich für Anwendungen, die eine Drehzahl- und Drehrichtungsumkehr erfordern sowie zur Positionierung. Außer in medizinischen Geräten sind solche bürstenlosen Gleichstrommotoren in Instrumentenbau, elektrischen Werkzeugen, kleinen Haushaltsgeräten sowie Flug - und Schiffsmodellen zu finden.
Eisenbehaftete Gleichstrommotoren
Das Eisenanker-BLDC-Motoren-Programm kommt exklusiv von dem chinesischen Hersteller Hengdrive. Es umfasst zehn Modelle im Durchmesserbereich 16 bis 68 mm mit Längen von 18 bis 72 mm. Die Nennspannungen von 6 bis 48V und 220 V AC ermöglichen Abgabeleistungen von 0,5 bis 67 W. Ausgestattet mit integrierter Elektronik zur stufenlosen Regelung der Geschwindigkeit von 0 bis 100 % mittels einer PWM (Puls-Weiten-Modulation) oder über das Encoder-Signal sind die BLDC-Motoren reversierbar.
Zudem verfügen die meist 3-phasig ausgeführten Antriebe über eine Schnell-Bremsfunktion und bieten einen hohen Wirkungsgrad. Dank der einfachen Konstruktion sind die Hengdrive-Motoren sehr preisgünstig. Zudem bieten sie eine hohe Lebensdauer von über 10.000 Betriebsstunden und weisen EMV-freundlich so gut wie keine elektromagnetische Störbeeinflussung auf. Sie funktionieren einfach in ihrer Drehrichtungsumkehr und laufen sehr geräusch- und vibrationsarm. Die eisenbehafteten BLDC von Dinko vervollständigen das Programm. Mit Flanschmaßen von 42 bis 130 mm bieten sie Leistungen von 20 bis 500 W und sind alle mit Hallsensor und Kugellagern ausgerüstet.
Die Applikationsmöglichkeiten für die Eisenanker BLDC-Motoren sind unvorstellbar vielseitig: Beispielsweise eignen sie sich für kleine Antriebsaufgaben in Haushalt-, medizinischen und Körperpflege-Geräten. Die Liste lässt sich zahlreich fortführen mit Anwendungen in Automotive, Bürotechnik, Instrumentation, Pumpen, Lüftern oder Sicherheits- und Überwachungssystemen sowie der Computertechnik.
BLDC Motor treibt Drohne an – Video
Das könnte Sie auch interessieren...
Koco Motion | Systemhaus für Antriebe
Gleichstrommotor und andere Antriebe für die Medizintechnik
Schrittmotor Linearaktuatoren in Hülle und Fülle
Linearmotor | Mit Linearaktuator und Elektrozylinder
Angela Struck ist Chefredakteurin des developmentscouts und freie Journalistin sowie Geschäftsführerin der Presse Service Büro GbR in Ried.