Bürstenloser Gleichstrommotor nach Axialflussprinzip

  • Aufbau des bürstenlosen Gleichstrommotors BGA 22: 1 – Kabel, 2 – Hallsensor, 3 – Scheibe mit Magnetmaterial, 4 – Scheibe mit Wicklung, 5 – GehäuseAufbau des bürstenlosen Gleichstrommotors BGA 22: 1 – Kabel, 2 – Hallsensor, 3 – Scheibe mit Magnetmaterial, 4 – Scheibe mit Wicklung, 5 – Gehäuse

Vier Eigenschaften sind es, durch die sich der eisenlosen Gleichstrommotor eines Antriebsherstellers besonders auszeichnet: Er ist klein, leise, weist eine hohe Leistungsdichte auf und erwärmt sich nur wenig. Damit lässt sich der Motor unauffällig in zahlreiche Anwendungen integrieren.

Der eisenlosen DC-Motor BGA 22 von Dunkermotoren ist nach dem Axialflussprinzip aufgebaut. Das bedeutet, dass sich die magnetischen Felder in axialer Richtung (parallel zur Motorwelle) ausbilden, während bei klassisch gebauten Motoren sich das Magnetfeld radial ausbreitet. Der Motor ist eisenlos aufgebaut, Rastkräfte und Ummagnetisierungsverluste werden dadurch stark reduziert. Dieses Grundprinzip ist von den sogenannten „Printed Motors“ bekannt, die unter anderem in der Unterhaltungselektronik Anwendung finden.

In dreier Stapeln erweiterbar
Dunkermotoren stapelt mehrere Kombinationen von Wicklung und Permanentmagneten hintereinander. Dabei treten folgende Scheiben im Wechsel auf:
• Nummer 4 – die Scheibe trägt die Wicklung für eine Motorphase und ist mit dem Gehäuse verbunden und
• Nummer 3 – die Scheibe besteht aus Magneten, die auf einer Stahlscheibe befestigt sind und sich mit der Motorwelle drehen.
Die Magnete übertragen somit das Drehmoment auf die Welle und drehen sich mit dieser. Diese Stahlscheiben bilden eine solide Fixierung der Magnete auf der Welle und ermöglichen die Verdrehung der Magnete. Auf dieser Weise ist ein Verdrehen der drei Wicklungsscheiben untereinander (zur Bildung der drei Motorphasen) überflüssig. So wird der Motoraufbau deutlich vereinfacht. Da der Motor 3-phasig aufgebaut ist, werden mindestens drei solcher Stapel benötigt, um einen funktionsfähigen Motor zu erhalten. Über die Anzahl der Pakete mit je drei Stapeln ist es möglich, die Leistungsfähigkeit des Motors zu erhöhen. Dabei erhöht sich Baulänge entsprechend, während der Durchmesser des Motors gleich bleibt.

Den Platz bis zur Gehäusewand nutzen
Aufgrund des Axialflussprinzips hat das Gehäuse des BGA 22 lediglich die rein mechanische Aufgabe, den Motor in seiner Form zu halten.

Daher kann das Gehäuse sehr dünnwandig aufgebaut sein. Dies ermöglicht Magnetscheiben mit größerem Durchmesser. Eisenlose Motoren anderer Bauart brauchen für den radialen Fluss einen Rückschluss am Außendurchmesser aus ferromagnetischem Material, welcher den Durchmesser reduziert, auf dem das Motor-Drehmoment aufzubauen ist. Da beim Axialflussprinzip die magnetischen Kräfte auf einen größeren Durchmesser wirken, kann mit weniger Magnetmaterial ein großes Drehmoment erzeugt werden. Dies sorgt für Materialeinsparung im Sinne einer nachhaltigen Bauweise und senkt somit die Abhängigkeit von Rohstofflieferanten für Neodym und Dysprosium. Die Effizienz, die dem BGA 22 durch das Axialflussprinzip gegeben ist, sorgt für eine hohe Überlastfähigkeit im Kurzzeitbetrieb.

Praxisbeispiel: Balkontür
Der Motor erwärmt sich langsamer, als konventionell aufgebaute eisenlose Motoren gleicher Baugröße und Form. Der praktische Nutzen wird erkennbar, wenn es gilt, hohe Lasten in größeren Zeitabständen zu bewegen. Als Beispiel dient eine verglaste, schwere Balkontüre. Sie soll aus der Verriegelungslage gehoben und geöffnet werden. Der Motor, welcher in den Türrahmen integriert und somit auf einen Durchmesser von 22 mm begrenzt ist, wird dabei mit dem 3-fachen Nennmoment, rund 6 Ncm, belastet. Wenn man von einer Start-Temperatur von 25°C ausgeht, erreicht der herkömmlich gebaute Motor bereits nach weniger als zwei Sekunden in seiner Wicklung die Grenztemperatur von 155°C während der BGA 22 erst nach 30 Sekunden die Grenztemperatur von 120°C erreicht. Der BGA 22 kann demnach 15-mal solange das dreifache Nennmoment liefern und erreicht nicht die Grenztemperatur des vergleichbaren Motors von 155°C.

Laufruhiger Motor: Kaum hörbar
Der bürstenlose Motor ermöglicht gemeinsam mit den fehlenden Rastkräften und der fehlenden Ummagnetisierung eine hohe Laufruhe. Einzig die Kugellager und die Kommutierung sind während des Betriebs wahrnehmbar. Integriert in ein Gerät dürfte es dem Anwender schwer fallen zu beurteilen, ob der Motor in Betrieb ist oder nicht. Theoretisch betrachtet hat der BGA 22 auch keine Unwucht. In der Praxis entsteht durch Fertigungstoleranzen eine kleine Unwucht. Diese kann in manchen Anwendungen toleriert werden, in der Regel wird der Rotor jedoch auf eigens dafür entwickelten Maschinen feingewuchtet. Resultierend daraus, läuft der Motor schwingungsarm und gibt an sein Umfeld, zum Beispiel an das Gehäuse, welches ihn umgibt, quasi keine Schwingungen ab. Das Gerät bleibt ruhig und zeigt bei Variation der Drehzahl keine Resonanzerscheinungen (bei einfacher Block-Kommutierung). Die in dieser Baugröße eher selten anzutreffende Vektor-Kommutierung verbessert das Verhalten zusätzlich.

Gute Wärmeabfuhr inklusive
Ungleich anderen eisenlosen Motoren gleicher Baugröße, liefert der BGA 22 eine hohe Leistungsdichte bei relativ niedrigen Temperaturen in der Wicklung. Hersteller, welche die Bauweise der freitragenden Wicklung bevorzugen, gehen einher mit der Temperaturklasse F (155°C). Dunkermotoren konnte diese auf die Klasse E, welche einer Temperatur von 120°C entspricht, begrenzen. Durch die gute Wärmeabfuhr ist dies möglich. Die Wicklungen – die heißeste Stelle im Motor – sind direkt mit dem Gehäuse wärmeleitend verbunden. Zwischen der Wicklung und der Außenwelt gibt es somit keinen wärmeflussdämmenden Luftspalt. Die Wärme wird so optimal abgeführt. Ein weniger heiß betriebener Motor ermöglicht eine verlängerte Lebenszeit der Kugellager und bietet in der Anwendung mehrfachen Nutzen. Anbauten wie Getriebe und Encoder, die aus dem Dunkermotoren-Baukasten zur Verfügung stehen, werden weniger belastet, was eine längere Lebensdauer ermöglicht. Sonstige verwendete Materialien sind nicht einer so hohen Temperatur ausgesetzt und können daher unter Gesichtspunkten wie Anschaffungskosten optimiert werden. Geräte, in denen ein BGA 22 integriert ist, bleiben im Betrieb kühler, was für den Anwender im Falle einer direkten Berührung mit dem Motor für eine angenehme Haptik sorgt. Ziel bei Dunkermotoren ist es, diesen Motor auch in eine sterilisierbare Version weiterzuentwickeln. Seine geringe Erwärmung wird man dann bei der Berührung mit Zellgewebe zu schätzen wissen.

Fazit
Mit dem BGA 22 ist ein bürstenloser eisenloser Motor am Markt der großen Belastungen ausgesetzt werden kann, mit einer hohen Laufruhe überzeugt und sich weniger erwärmt, als Motoren mit vergleichbaren Abmessungen. Mit der verfügbaren Wicklungsvarianz und dem modularen Baukasten lässt er sich auf viele Anwendung auslegen.
 

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