Bürstenlose MotorenSiehe auch:
Anstiegsgeschwindigkeit Beschleunigungsregelung Linearmotor Servoregler [ english: brushless motors ]
Die Bürsten (Schleifkontakte) von Gleichstrommotoren unterliegen einem starken Verschleiß, da sie nicht nur den Strom auf den Motoranker übertragen, sondern ihn auch schalten. Bei Drehstrommaschinen entfällt der Kommutator, es verbleibt, zumindest bei den steuerbaren Schleifringläufermotorn, der mechanische Abrieb.
Ein bürstenloser Gleichstrommotor erzeugt das Magnetfeld im Anker nicht elektrisch, sondern durch Permanentmagnete. Eine mechanische Stromübertragung über Schleifringe ist deshalb nicht erforderlich. Andererseits begrenzt Feldstärke der Permanentmagnete die Leistung.
Bürstenloser Motor.gif (1,3 MB - Automatischer Download)
Ihr hohes Drehmoment erreichen sie vorzugsweise aus dem besonders großen Durchmesser ihres Luftspaltes erzeugen. Weiterhin typisch ist, daß sie innen hohl sind. Normalerweise ist der Stator außen und der Magnetläufer innen, aber auch umgekehrt funktioniert dieser Motor genauso als Außenläufer. Weiterhin typisch für diese Motoren ist, daß sie ohne Lagerung und Gehäuse geliefert werden, denn der Kunde stülpt den Läufer auf seine bereits für die Aufnahme vorbereitete Welle/Hohlwelle über. Der Stator wird dafür an das Gehäuse zentriert und befestigt. Die in den Statorspulen erzeugte Wärme wird so an das Gehäuse weiter¬geleitet. Solche Torquemotoren sind üblicherweise sog. Langsamläufer, die die Welle ohne Getriebe, also direkt und daher völlig spielfrei antreiben.
Bürstenlose-DC Direkt-Antriebe mit Torque-Motoren
Langsamläufer, gedacht für den spielfreien und steifen Direktantrieb der Last ohne den Einsatz eines Getriebes. Sogenannte Pankakes oder Megatorquer bringen das Drehmoment über den großen Durchmesser. Zum Beispiel bis zu 9 m Durchmesser bei 200.000 Nm Drehmoment für die VL-Teleskope der ESO in Antofagasta/Nordchile. Diese Motoren konnten durch eine optimale Auslegung tatsächlich die geforderten Eigenschaften wie Rastmoment und Drehmomentwelligkeit kleiner 1 % erreichen. Obiges Bild zeigt eine Kundenspezifische Konstruktion mit 40 mm Blechstärke und 32 cm Außendurchmesser.
Perfektion der Technik
Wie viele Aspekte man an einem bürstenlosen Motor berücksichtigen sollte, ist fast eine nicht endende Kette von Freiheitsgraden und Möglichkeiten, die genau genommen eine schier unendliche Vielfalt von gelungenen Ausarbeitungen erlaubt. Hier ein einfaches “Kochrezept” zu empfehlen ist nicht möglich, sondern erst die Übersicht aller Möglichkeiten steuert instinktiv den Fachmann in mehrere optimale Richtungen.
Gewünschte Daten:
- Drehzahlen, von schleichender Drehzahl bis über 100.000 U/min
- Dauerdrehmoment bei welcher Drehzahl
- Spitzen/Impulsdrehmoment für welche Zeit und wie oft ?
- höchste Beschleunigung, z.B. bis zu 1 Mio. rad/s2 oder völlig unwichtig
Besondere Eigenschaften:
- Hochkonstante Drehzahl bei wechselnder Last
- möglichst frei von Rastmoment, ein besonderes Thema
- Hochkonstantes Drehmoment über den Winkel
- auf kleinste Erwärmung der Wicklung oder des Eisens aufgebaut
- auf kleinste, mittlere oder größte Wicklungs-Induktivität hin ausgelegt
- Low-Cost Design ist auch eine besondere Anforderung
Aufbau und Bauformen:
- Anzahl der Phasen: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12 oder sogar redundant viel mehr Phasen ?
- von schlank/stabförmig bis kurz und mit großem Durchmesser
- Innenläufer mit Außenstator oder Außenläufer mit Innenstator
- Stator-Gehäuse aus einem Rohr oder aus geschweißten Eisenblechen aufgebaut ?
- ist Flanschkühlung, Luft- oder Wasserkühlung vorgesehen?
Fertigungsverfahren:
- sehr einfach von Hand zusammenzubauen (z.B. auch in Heimarbeit)
- eine vollautomatische Fertigung ist vorgesehen
Magnete:
- aus einzelnen rechteckigen Stabmagneten, oder als Schalen-Segmenten
- fertiger Ringmagnet, vorher schon mit Polen aufmagnetisiert
- Aus SmCo, NdFeB oder Ferrit
Lagemelder:
- unzählige Lage- und Geschwindigkeitssysteme stehen zur Verfügung je nach
dem ob es ein Positionier-/Drehzahl- oder Drehmomentsystem werden soll
Bürstenlose Motoren erlauben heute durch Auswahl an Nuten-, Pol- und Phasenzahlen eine unendlich große Vielfalt an innovativen Lösungen. Alle primären Eigenschaften eines BL-DC Antriebes lassen sich zu einem optimalen Design konfigurieren wie z.B. hohe Steifigkeit gegen Störmomente, kleines Rastmoment oder kleine Drehmomentwelligkeit, EMK-Verlauf als Sinus, π-Sinus, Trapez oder Rechteck, oder die gewünschte Wicklungs-Induktivität. Mechanische Abmessungen, als hohler Ring oder als Stab, geben nur den äußeren Rahmen vor, danach beginnt die eigentliche Entwicklungsarbeit.
Bürstenloser-Flachmotor
Bürstenlose Torque-Motoren
Dies sind Motoren, die ihr hohes Drehmoment vorzugsweise aus dem besonders großen Durchmesser ihres Luftspaltes erzeugen. Weiterhin typisch ist, daß sie innen hohl sind. Normalerweise ist der Stator außen und der Magnetläufer innen, aber auch umgekehrt funktioniert dieser Motor genauso als Aussenläufer. Weiterhin typisch für diese Motoren ist, daß sie ohne Lagerung und Gehäuse geliefert werden, denn der Kunde stülpt den Läufer auf seine bereits für die Aufnahme vorbereitete Welle / Hohlwelle über. Der Stator wird dafür an das Gehäuse zentriert und befestigt. Die in den Statorspulen erzeugte Wärme wird so an das Gehäuse weitergeleitet.
Solche Torque-Motoren sind üblicherweise sog. Langsamläufer, die die Welle ohne Getriebe, also direkt und daher völlig spielfrei antreiben. 1,5 meter Torque-Motor, bürstenbehaftet von Sierracin-Magnedine, California, USA
Torquer werden bürstenbehaftet und bürstenlos angeboten, wobei das Interesse sich immer mehr auf die letzteren konzentriert, weil sie völlig verschleißfrei arbeiten und keine Abriebsverschmutzung erzeugen. Die bisherigen BL-Torquer arbeiten üblicherweise mit 3 Phasen, es gibt hier und da aber auch welche mit 2 und noch seltener mit 4, 6 und 12 Phasen (für militärische Anwendungen). Grundsätzlich lassen sich solche Ringmotoren natürlich mit allen Phasenzahlen realisieren, wobei manche Phasenzahlen zusammen mit der Elektronik singuläre, sehr geschickte Gesamtlösungen erlauben.
Solche Motoren werden in allen Größen hergestellt, von ca. 5 cm bis zu 30 m im Durchmesser (Weltraummotor zum Positionieren von Großlaserkanonen im SDI-Programm der USA). Die gravierenden Probleme mit diesen Motoren sind die großen Kräfte, die von den starken Magneten herrühren: Sie erzeugen störende Haltemomente an Zähnen und Nuten (engl. detent torque oder auch cogging), die sich sehr störend auf einen gewünschten, optimalen Rundlauf auswirken. Auch wenn die Elektronik solche Störungen ausregeln kann, so bleibt ein kleiner Fehler in der Einschwingzeit, der oft nicht toleriert werden kann. Darüber hinaus haben solche Motoren auch Schwankungen im Drehmoment, sog. Momentwelligkeit (engl. ripple-torque), die sich ebenfalls ungünstig auf den erwünschten, absolut ruhigen Lauf auswirken.
Es gibt eine ganze Reihe von Ansätzen, um sich des einen und anderen Effektes zu entledigen, doch beide gleichzeitig weitgehend zu eliminieren ist bis jetzt nicht gelungen. Dies liegt z. T. daran, weil sich diese Motoren nicht perfekt mit einem einfachen mathematischen System beschreiben lassen. Hinzu kommen durch die magnetischen Streufelder z.T. ganz ungewöhnliche Effekte, die sich analytisch schlecht voll einfangen lassen: es wird immer ein Rest von Fehlern übrig bleiben.
Unser Ansatz zielt hierbei auf eine neue Konstruktion des Motors, die wenigstens eine 2-Dimensionale mathematische Beschreibung erlaubt, die also wenigstens im idealisierten Modell Momentwelligkeit und Rastmoment zu Null optimieren kann. Die durch Streuungen dann noch entstehende Fehler müssen iterativ und mit viel Fleiß beseitigt werden. Ein Modell, daß sämtliche Effekte behandeln könnte scheint kaum realisierbar zu sein.
Warum sind aber Torquer für uns interessant? Es gibt viele Gründe, die beiden wichtigsten sind folgende:
- Torquer arbeiten ohne Getriebe vollkommen spielfrei, und wenn sie richtig eingesetzt werden, sind sie in Maschinen und Robotern der kürzeste Weg zwischen Elektronik und Mechanik
- Torquer greifen direkt an den Stellen, die üblicherweise in der Mechanik für die größte Stabilität zuständig sind, nämlich an der Peripherie von Übertragungselementen, wie Achsen, Roboterarmen usw. Die Übertragungssteifigkeit ist somit optimal
Insofern wir also präzisere Maschinen und Roboter bauen möchten, kommen wir nicht an diesen Antrieben vorbei. Bemerkenswert ist der neue Trend der Japaner, sämtliche Gelenke an Manipulatoren und Robotern mit solchen Direktantriebsstationen zu bestücken.
Wenn die Japaner an diesen Stellen ohne Getriebe arbeiten, so hat es sicher einen guten Grund: Japan hat es sich zur obersten Devise gemacht, in sämtlichen Bearbeitungsstufen noch eine Größenordnung genauer zu werden. Das erklärte Ziel ist, die Fertigungstoleranzen soweit zu reduzieren, daß die Gesamtqualität aller gefertigten Produkte für andere praktisch unerreichbar wird! Man sollte sich hüten, den Japanern alles nachzumachen, oder sie für intelligenter zu halten, denn häufig genug machen sie das Falsche richtig und das Richtige falsch. Immerhin haben nun mehrere Firmen wie Yokogawa Precision, Tamagawa Seiki, NSK und andere solche Direktantriebe im Programm. Manche arbeiten nach dem Prinzip eines Reluktanz-Schrittmotors mit großem Durchmesser und feinen Schritten. Die extrem hohe Induktivität solcher Motoren wirkt sich negativ auf die Regeldynamik aus.
Wieso preisen wir aber den bürstenlosen Motor und nicht diese Reluktanzantriebe an?
Weil Reluktanzantriebe bekanntermaßen von der hohen Induktivität und dem kleinen Spalt leben, nicht so der BL-Motor, der ganz bewußt große Magnete als Spalt einsetzt, damit die unerwünschte Induktivität so klein wie möglich wird. Im Positions-Regelungssystem ist nämlich die Induktivität das Nadelöhr für die Steifigkeit, das sog. Gummi im Antrieb. Es genügt also nicht allein, daß statische Drehmoment des Antriebes zu erhöhen, sondern gleichzeitig muß die Steifigkeit verbessert werden. Hierzu haben alle Motoren mit Permanentmagneten grundsätzlich kleinere Induktivität und sind daher der besseren Weg zu höherer dynamischen Steifigkeit, weil die Elektronik die Ströme in die Spulen schneller einprägen
Folgende Eigenschaften sind kennzeichnend:
- Es ist ein mathematisches Durchflutungsmodell vorhanden, daß eine magnetische Sinusdurchflutung gewährleistet. Hierauf basierend ergibt sich durch diese Durchflutung:
- Der Motor ist im unbestromten Zustand rastmomentfrei
- Konstant-Moment-Betrieb ist optimal gewährleistet, d. h. die Drehmomentwelligkeit ist im Idealfall gleich Null, oder sehr klein
Ausführungen werden gezielt darauf gezüchtet, daß die Statorinduktivität so klein wie möglich wird. Daraus folgt die Umkehrung, daß dI/dt so groß wie möglich sein soll. Der Motor kann gegen Störmomente nur so schnell gegenagieren, wie auch der Strom in die Wicklung hineinkommt. Das BL-DC System ist von der Physik her anderen Antriebsprinzipien wie Reluktanz- und Asynchronmotor grundsätzlich überlegen, denn diese benötigen den kleinen Spalt und haben daher eine große, störende Induktivität.
Interessant ist, daß in den Beschreibungen überall nur Angaben über die statische Steifigkeit zu finden sind, während man oft keine Angaben über die dynamische macht. In der Dynamik ist der BL-DC Motor grundsätzlich allen anderen Motorarten überlegen. (Torquemotor 4500 Nm, Werkbild BOSCH-Rexroth)
Ausführungen mit sehr hohem Wirkungsgrad ergeben sich zwangsläufig aus der Konstruktion. Der hohe Kupferfüllfaktor sorgt ebenfalls für kleinste Verluste. Nicht selten erreicht man Wirkungsgrade von über 90%. Wie z.B. im 9 m Azimut-Großmotor vom VLT-Teleskop der ESO in Chile.
- Der thermische Kupferwicklungskontakt zum Stator ist optimal. Auf diese Weise ist der Motor von der guten Wärmekapazität her bestens gerüstet um sehr hohe Impulsbelastungen zu vertragen
- Die geometrischen Dimensionen sind durchweg kleiner als bei vergleichbaren Motoren. Bei gleichem Außendurchmesser ist die Länge beachtlich kürzer, so daß man damit wesentlich flachere Motoren als die sog. Scheibenläufer bauen kann
- Ebenfalls lassen sich diese Motoren hohl aufbauen, mit Geber oder einem Getriebe im Mittelraum
Ausführungen sind möglich mit 2, 3 oder beliebig vielen Phasen. Es ergeben sich einige singuläre Vorteile:
- 6-phasige Motoren können mit nur 4 Halbbrücken betrieben werden
- In Motoren mit paarzahligen Phasen können besonders geschickt Kommutierungsresolver integriert werden
- Motoren mit höheren Phasenzahlen haben den Vorteil, daß die verbleibende Rastmomente und Momentwelligkeit stark fällt, wichtig bei höchstpräzisen Antrieben für hochgenaue Werkzeugmaschinen und Teleskope
Als anzubauende Lagegeber kommen in Frage:
- mehrpolige Resolver
- hochauflösende Inkrementalgeber
Als Kommutierungsgeber kommen in Frage:
- integrierte HF-Resolver
- integrierte Hall-Resolver
Aus der Konstruktion ergibt sich noch ein wichtiger Punkt: Diese Motoren lassen sich bei entsprechendem Design komplett zerlegt transportieren. Ein wichtiges Detail z. B. beim großen Azimutmotor von 9 Metern Durchmesser und 200.000 Nm von ESO für das VLT-Spiegelteleskop.
Prüfaufbau an einem HF-Lagegeber für einen hochdynamischen BL-DC-Motor
