Ob mit oder ohne Bürsten – was ist der passende Motor?

Ob es besser ein bürstenloser Induktions- beziehungsweise Servomotor oder aber ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor sein soll, hängt im Wesentlichen von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Faktoren wie Energieeffizienz, Lebensdauer, erforderliche Drehzahlen und Überlastfähigkeit, aber auch die Anschaffungskosten spielen bei der Gestaltung des passenden Antriebskonzeptes eine entscheidende Rolle.

Wie arbeitet ein bürstenbehafteter Motor?

Die Kohlebürste ist ein Gleitkontakt in Motoren oder Generatoren. Sie stellt den elektrischen Kontakt zum Kollektor oder zu den Schleifringen des rotierenden Teils der Maschine her. Heute bestehen Kohlen aus einer Legierung von Graphit und metallischen Komponenten. Die Legierungen sind je nach Einsatz und Stromdichte unterschiedlich.

Welche Nachteile hat ein bürstenbehafteter Motor?

Der Nachteil bürstenbehafteter gegenüber bürstenlosen Motoren liegt in der stetigen Abnutzung der Kohlen, die eine regelmäßige Wartung oder einen Austausch Letzterer erfordert. Auch der entstehende Kohlenstaub macht diesen Motorentyp eher ungeeignet für bestimmte Einsätze, wie etwa in der Textilindustrie, in Reinräumen, im Vakuum oder in optischen Anwendungen. Ein weiterer kritischer Punkt ist die schwierigere Funkentstörung durch das Bürstenfeuer. Es muss ein erheblicher Aufwand betrieben werden, um benachbarte Geräte gemäß der EMV-Richtlinie vor elektromagnetischen Störungen zu schützen. Auch der Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ist durch die Entstehung von Funken in der Regel nicht gegeben.

In welchen Anwendungen ist der Einsatz von bürstenbehafteten Motoren sinnvoll? Von Vorteil ist ihre hohe Überlastfähigkeit, die unter anderem in der Energieverteilung eine wichtige Anforderung ist. „Dort kommen unsere Gleichstrommotoren zum Beispiel in Leistungsschaltern für Hoch- und Mittelspannung zum Einsatz“, erklärt Wolf Meyer, Produktmanager bei Groschopp. Im Schalterbau sind Antriebe gefragt, die auch dann zuverlässig arbeiten, wenn sie ein ganzes Jahr nicht gelaufen sind und zum Beispiel nur für Wartungsarbeiten kurzzeitig unter Spannung gesetzt werden. Ein permanent erregter bürstenloser Motor ist dafür weniger geeignet. Auch die Größe spielt eine Rolle: Bürstenbehaftete Motoren benötigen wenig Bauraum, was sie für Schalterhersteller besonders interessant macht.

Kommutatormotoren des Viersener Antriebsspezialist kommen nicht nur in elektrischen Schaltanlagen für Mittel- und Hochspannung, sondern auch in Spezialpumpen sowie in der industriellen Automatisierung zum Einsatz. Sie brauchen keine externe Leistungselektronik und sind dadurch entsprechend günstig in der Anschaffung. „Bürstenbehaftete Motoren mit gewickeltem Läufer und Ständer erreichen hohe Drehzahlen und lassen sich einfach über die Spannung regeln, ohne dass ein zusätzlicher Regler eingesetzt werden muss“, erklärt Meyer.

Ein weiterer Vorteil der Bürstenmotoren ist, dass die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie variabel gestaltet werden kann. Dies bedeutet, dass die Konstruktion eines Nebenschluss-, Reihenschluss- oder Doppelschlussmotors anwendungsspezifisch erfolgen kann:

• So ist z. B. für den Einsatz in einer Bohrmaschine ein Reihenschlussmotor von Vorteil, da sich die Drehzahl je nach Belastung ändert. Reihenschlussmotoren können auch mit Gleich- oder Wechselspannung betrieben werden.
• Nebenschlussmotoren werden gerne eingesetzt, wenn konstante Drehzahlen bei hoher Belastung gefordert sind, wie zum Beispiel bei einer Kreissäge oder einem Bandantrieb.
• Im Schalterbau vereint der Doppelschlussmotor weitgehend die Vorteile von Reihen- und Nebenschlussmotor mit einem erhöhten Anlaufmoment. Nebenschluss- und Doppelschlussmotoren können nur mit Gleichspannung betrieben werden. Alternativ bietet Groschopp Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten anstelle des gewickelten Stators in verschiedenen Leistungsklassen an.

„Im Dauerbetrieb bieten bürstenlose Motoren Vorteile“, berichtet Christian Skaletz, Produktmanager bei Groschopp. Mit der EGK-Serie bietet der Hersteller beispielsweise elektronisch kommutierte Servomotoren, die für eine sinusförmige Bestromung optimiert wurden und daher auch als Drehstrom-Synchron-Motor bezeichnet werden. Die Weiterentwicklung der aktiven Kernelemente Stator, Rotor und der Magnete sowie der Einsatz einer modernen Einzelzahnwicklung hat die Leistungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen Servomotoren deutlich gesteigert.

Bürstenlose AC-Motoren produzieren ein konstantes und gleichförmiges Drehmoment, vor allem bei niedrigen Drehzahlen. Darüber hinaus zeichnen sich die Niederspannungs-Servomotoren durch eine extrem hohe Leistungsdichte, Positioniergenauigkeit und Energieeffizienz sowie eine geringere Geräusch- und Wärmeentwicklung aus.

Welche Alternativen gibt es noch?

Eine kostengünstigere, bürstenlose Alternative bieten die Dreh- und Wechselstrommotoren. Der Hersteller hat in diesem Bereich ein breites Spektrum an Gehäuse und Einbaumotoren im Programm. Sie haben in der Regel eine fest eingestellte Drehzahl, die bei 1400 min-1 (4-polig) oder bei 2.800 min-1 (2-polig) liegt. Die Vorteile dieser Induktionsmotoren liegen in ihrem robusten Aufbau und gutem Preisleistungsverhältnis. Durch ihre hohe Leistungsdichte und ihr intelligentes Design sind sie vielfältig einsetzbar.

Induktionsmotoren haben eine mehrsträngige, verteilte Wicklung im Stator. Durch die Bestromung mit Wechsel- oder Drehstrom entsteht ein Drehfeld, durch das der Rotor angetrieben wird. Die Rotornuten sind mit einem leitfähigen Metall ausgegossen. Die Stäbe sind an beiden Seiten über einen Ring kurzgeschlossen. Deshalb bezeichnet man die Motoren auch als Kurzschlussläufer.

Das Drehfeld des Ständers induziert Ströme in den Rotorkäfig. So entstand die Bezeichnung Induktionsmotor. Die induzierten Rotorströme erzeugen magnetische Pole, die dem Stator-Drehfeld folgen. Nach dem Induktionsgesetz werden Rotorströme nur dann induziert, wenn der Rotor sich relativ zum Statordrehfeld bewegt. Das heißt, ein Drehmoment wird nur erzeugt, wenn die Rotordrehung relativ zum Statordrehfeld nicht synchron ist. Deshalb nennt man solche Motoren auch Asynchronmaschine.