Das US-Unternehmen SpaceX entwickelte für die Raumstation ISS zum Einstellen der Sonnensegel bürstenlose Motoren von Maxon.

Das US-Unternehmen SpaceX entwickelte für die Raumstation ISS zum Einstellen der Sonnensegel bürstenlose Motoren von Maxon. Space Exploration Technologies Corp.

Gleichstromantriebe gibt es als bürstenbehaftete, sogenannte DC-Motoren, und als bürstenlose Motoren, BLDC-Motoren. BLDC steht dabei für brushless DC, die beim Schweizer Antriebsspezialisten Maxon auch EC-Motoren heißen, mithin elektronisch kommutieren.

Für die Ewigkeit konstruieren?

Erstes Unter- und damit Entscheidungsmerkmal der Motoren ist die angestrebte beziehungsweise notwendige Lebensdauer eines Gleichstromantriebs: Beim DC-System mit Kommutierung, das heißt mit Bürsten, ist die Lebensdauer begrenzt. Normalerweise sind solche Motoren einige tausend Stunden im Betrieb, im besten Fall 10 000 Stunden.

Was aber auch passieren kann: Die Lebensspanne dauert weniger als 100 Stunden. Genau voraussagen lässt sich der Zeitpunkt nicht, da vieles von der Belastung abhängt und verlässliche Berechnungsalgorithmen fehlen. Hohe Ströme und Drehzahlen, häufiger Umkehrbetrieb und starke Vibrationen verringern die Lebensdauer. Oft braucht es deshalb einen Vergleich mit ähnlichen Anwendungen, um die Lebensdauer grob zu ermitteln. Dennoch: Es bleibt häufig eine Schätzung auf Basis von Erfahrungswerten.

Bei bürstenlosen DC-Motoren hingegen gibt es keine Schleifkontakte. Mithin sind die Kugellager der limitierende Faktor, der die Lebensdauer des Motors bestimmt. Und über Lager gibt es umfangreiches Wissen, sodass deren Lebensdauer ziemlich präzise vorhersagbar und auch viel länger ist. Ein typisches Lager hält mehrere 10 000 Stunden. Nach wie vor gilt aber: Für viele Anwendungen reicht eine Betriebsdauer des Motors von einigen 1 000 Stunden meist aus.

Welches Drehzahl und Drehmoment-Niveau ist notwendig?

In der weltweit ersten kabellosen Tattoo-Maschine setzt Swisstattoomachine auf den Motor RE 13 von Maxon. Der Antrieb arbeitet energieeffizient und dynamisch.

In der weltweit ersten kabellosen Tattoo-Maschine setzt Swisstattoomachine auf den Motor RE 13 von Maxon. Der Antrieb arbeitet energieeffizient und dynamisch. Maxon/Philipp Schmidli

Mit einem bürstenbehafteten DC-Motor lassen sich Drehzahlen bis maximal 20 000 min -1 realisieren. Aber auch hier gilt: In den meisten Fällen liegt die Grenzdrehzahl bei DC-Motoren unter 10 000 min -1. Darüber nimmt die Lebensdauer des Motors aufgrund steigender elektrischer und mechanischer Abnutzung massiv ab. Ein von der Baugrösse und magnetischem Aufbau her vergleichbarer bürstenloser DC-Motor kann dagegen bei viel höheren Drehzahlen arbeiten, einzelne Varianten sogar über 100 000 min -1. Das prädestiniert diese Antriebe für Anwendungen wie Fräsen, industrielles Schneiden oder für spezielle Lüfter.

Interessant: Bürstenlose Motoren sind oft mehrpolig ausgeführt. Dies vergrößert das Drehmoment, allerdings auf Kosten der Drehzahl. Viele Anwendungen arbeiten ohnehin nicht in diesen Drehzahlregionen; können das zusätzliche Drehmoment aber gebrauchen. Dennoch: Hauptvorteil der bürstenlosen Motoren ist deren höheres Drehzahl-Niveau. Welche Drehzahlen und Drehmomente genau möglich sind, muss der Konstrukteur spezifisch für den verwendeten Motortyp klären.

Spezielle Umgebungsbedingungen: EC-Motoren dominieren
Das Bürstensystem von Gleichstrommotoren kann bei speziellen Anwendungen zu Komplikationen führen:

  • Bürstenfeuer verursacht elektromagnetische Störungen, die eventuell gedämpft werden müssen. Graphitbürsten erzeugen Graphitstaub, der Reinräume, Vakuum oder optische Anwendungen verunreinigen kann.
  • Graphitbürsten funktionieren nur in etwas feuchter Luft und mit Sauerstoff einwandfrei.
  • Edelmetallbürsten müssen geschmiert werden. Daraus folgt: Beide Bürstensysteme sind nicht für Hochvakuum-Anwendungen geeignet.
  • In zündfähigen Gasen können Funken Explosionen verursachen. Allerdings benötigt auch ein EC-Motor Modifikationen, um explosionsgeschützt zu sein.

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

Wenn es um den praktischen Betrieb geht, gibt es keinen Motor, der sich so einfach betreiben lässt, wie der Gleichstrommotor mit Bürsten. Eine Spannung an beiden Anschlüssen genügt und der Motor dreht. Dagegen brauchen bürstenlose Motoren eine zusätzliche Kommutierungselektronik. Mithin ist die Verkabelung aufwendiger, weil bis zu acht Drähte anzuschließen sind.

Bei geregelten Antrieben ist die Situation anders: Meist kommen die Regler für Drehzahl, Position oder Drehmoment mit beiden Motortypen (DC und BLDC) gleich gut zu Recht. In beiden Fällen sind die Kosten für die Elektronik und den Feedbacksensor sowie der Verkabelungsaufwand sehr ähnlich.

Die Bilanz des Praktikers

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Bürstenbehaftete oder bürstenlose Motoren? Bei der Entscheidung spielen verschiedene Kriterien eine Rolle. Es gilt:

  • Sind besondere Drehzahlen erforderlich: bürstenlose Motoren
  • Falls lange Lebensdauer nötig: Vorteile für bürstenlose Motoren
  • Besondere Umgebungsbedingungen: Anpassungen bei bürstenlosen Motoren sind meist einfacher.
  • Verkabelungs- und Betriebsaufwand: Vorteile für Antriebe mit Bürsten

Am Ende hängt die Entscheidung – DC- oder BLDC-Motoren – von technischen Erwägungen ab. Aber auch ökonomische Überlegungen spielen eine Rolle. Wer zwischen allen Aspekten abwägt, findet sicher die richtige Lösung. Wer Hilfe bei der Antriebsauswahl möchte, der findet beim Antriebsspezialisten Maxon Motor entsprechende Expertise.