Bürstenlose DC-Motoren: Nutenlos oder genutet — die richtige Wahl

• Bürstenlose Gleichstrom-Motoren sind die Technologie der Wahl für Anwendungen mit höheren Drehzahlen.
• Da es aber zwei unterschiedliche Motorarchitekturen gibt, ist die Auswahl nicht immer ganz einfach.
• Madhavan Ramanujam, R&D Technologist bei Portescap, und Cyril Baud, R&D Manager bei Portescap, vergleichen genutete und nutenlose bürstenlose DC-Motoren unter konstruktiven Gesichtspunkten.

Im vergangenen Jahrzehnt haben sich bürstenlose DC-Motoren als Option für Anwendungen, die eine Kombination aus hoher Drehzahl (über 12’000 min^-1) und langer Lebensdauer verlangen, immer mehr durchgesetzt, obwohl natürlich bestimmte Kompromisse notwendig sind: Eisenlose, bürstenkommutierte Motoren sind einfach zu regeln und rastmomentfrei, während mit dem komplexeren Aufbau der bürstenlosen DC-Motoren höhere Kosten verbunden sind.

Bei vielen Anwendungen ist die Wahl eindeutig. Wenn aber die Anforderungen unangenehm nahe an die Leistungsgrenzen der jeweiligen Technologie heranreichen, ist die Entscheidung schwieriger und häufig mit konstruktiven Kompromissen verbunden. Jetzt gibt es eine weitere Alternative – den nutenlosen bürstenlosen DC-Motor – und die jüngsten Neuentwicklungen ermöglichen unter Umständen eine Revision bisheriger Konstruktionskompromisse.Der herkömmliche bürstenlose DC-Motor (BLDC-Motor) hat eine genutete Bauart, das heißt, die Spulen sind in Nuten auf dem Umfang des Stators gewickelt. Bei der nutenlosen Ausführung wird die Spule hingegen in einem separaten, externen Arbeitsgang gewickelt und dann bei der Motormontage direkt in den Luftspalt eingesetzt. Schauen wir uns an, wie sich diese unterschiedlichen Konzepte auf die Leistung auswirken.

Zunächst fällt auf, dass nutenlose BLDC-Motoren kleiner gebaut werden können. Bei genuteten BLDC-Motoren verhindern die Statorzähne grundsätzlich eine Minimierung der Motorbaugröße. Außerdem wird das Wickeln umso schwieriger, je kleiner der Motor ist. Im Gegensatz dazu sind beim nutenlosen BLDC-Motor die Wicklungen entweder schräg oder axial auf dem Eisenkern des zylindrischen Stators angebracht, wodurch die Baugröße leichter reduziert werden kann.

Die nutenlose Bauweise hat zudem einen Kostenvorteil durch geringere Komplexität und einen leichter zu fertigenden Statorkern. Anstatt die Wicklungen in Nuten einlegen zu müssen, können beim nutenlosen Motor die Wicklungen als schräge oder schalenförmige Wicklungen im Backlack-Verfahren über den Luftspalt gelegt werden.

Leistungsaspekte der nutenlosen DC-Motoren

Anfangs war bei nutenlosen BLDC-Motoren die Leistungsdichte deutlich geringer als diejenige des gleichgroßen genuteten Motors. Durch die Verfügbarkeit von Hochenergie-Permanentmagneten (wie NdFeB und SmCo) und alternative Konfigurationen (wie radial, parallel und Halbach-Array) wurde die Leistungslücke geschlossen und ein erneutes Interesse an nutenlosen Motoren geweckt. Theoretisch wäre derselbe Leistungsvorteil auch bei genuteten BLDC-Motoren zu erzielen, aber hier sind Hochenergie-Magnete schwerer zu verwenden: Die dickeren Zähne, die zur Erhöhung der magnetische Flussdichte erforderlich sind, reduzieren die Nutenfläche und damit die Strombelastbarkeit des Motors.

Dennoch kann der genutete BLDC-Motor immer noch höhere Drehmomente erreichen als die nutenlose Bauweise. Zum Teil rührt dies daher, dass die genutete Bauweise höheren Temperaturen standhalten kann, was höhere Drehmomente erlaubt. Aufgrund der Sättigung des Magnetkreises im Überlastbetrieb wird jedoch das Motordrehmoment reduziert. Die nutenlose Bauweise ohne Zähne kennt dagegen keine magnetische Sättigung und bietet daher eine bessere Überlastleistung.

Ein weiterer Leistungsaspekt ist der Betrieb bei hohen Drehzahlen: Zwar können beide Bauarten bei weit höheren Drehzahlen als bürstenbehaftete DC-Motoren arbeiten, doch unterscheiden sich die genutete und die nutenlose Version bei hohen Drehzahlen in den Eigenschaften. Um eine mechanische Stabilisierung bei hohen Drehzahlen (40.000 bis 60.000 min-1) zu erreichen, ist der nutenlose Rotor in der Regel mit einem zweipoligen Permanentmagneten ausgeführt. Dank des großen Luftspalts bleiben die Verluste des Statorkerns bei hohen Drehzahlen im akzeptablen Bereich. Die Eisenverluste sind aufgrund der nutenlosen Statorbauweise relativ gering und bieten daher eine hohe Leistungsdichte.

Technologien für unterschiedliche Anwendungen geeignet

Nutenlose Bauarten haben eine geringe Induktivität, was eine Herausforderung für die Regelung darstellt. Bei einer Regelung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) führt eine geringe Induktivität zu höheren Motorverlusten. Mit Steuerungen mit höherer Schaltfrequenz (80–100 kHz) oder in Reihe zugeschalteten Kompensationsinduktivitäten kann der geringen Induktivität entgegengewirkt werden.

Mit diesen Eigenschaften eignen sich die verschiedenen Technologien der bürstenlosen DC-Motoren für unterschiedliche Anwendungen. Genutete BLDC-Motoren sind beispielsweise ideal für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge oder Haushaltsgeräte, bei denen eine höhere Polzahl erforderlich ist und wo die endgültige Größe keine alles entscheidende Rolle spielt. Auch werden sie in rauen Umgebungen bevorzugt, da die Spule in genuteter Ausführung leichter zu schützen ist und durch die Statorzähne mechanisch stabilisiert wird. Andererseits bieten sich nutenlose BLDC-Motoren als optimale Lösung an, wenn hohe Drehzahlen und möglichst kleine Baugröße gefragt sind, zum Beispiel in medizinischen Geräten oder tragbaren Industriewerkzeugen.

Bild oben: Genutete vs. nutenlose Technologie – schematische Darstellung. Bildquelle: Portescap

Weitere Informationen: www.portescap.com

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