maxon DC motor Permanentmagnet erregter Gleichstrommotor mit eisenloser Wicklung

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1 maxon DC motor Permanentmagnet erregter Aufbau, Eigenschaften Stator: Magnetischer Kreis Rotor: Wicklung und Stromverteilung Funktionsweise Kommutierung: Graphitbürsten, Edelmetallbürsten Lebensdauer, Lager 2010 maxon motor ag, Sachseln, Schweiz Teil 1: DC-Motorbauformen konventionell, genutet z.b. Dunkermotoren eisenlos z.b. maxon 2, Seite 1

2 Konventioneller DC Motor el. Anschlüsse Wicklung Eisenkern Bürstensystem Kollektor Permanentmagnet (aussen) Flansch Gehäuse (magn. Rückschl.) 3, Eisenloser maxon DC motor (RE 35) Bürsten selbsttragende Kollektorplatte Wicklung Welle Kugellager Pressring el. Anschlüsse Pressring Kugellager Kollektor Permanentmagnet (im Zentrum) Flansch Gehäuse (magn. Rückschluss) 4, Seite 2

3 Vorteil eisenlos: kein Rastmoment keine weichmagnetischen Zähne, die mit dem Permanentmagnet wechselwirken ruckfreier Lauf auch bei kleinen Drehzahlen weniger Vibrationen und Geräusche jede beliebige Rotorposition kann einfach geregelt werden keine Nichtlinearitäten im Regelverhalten 5, Vorteil eisenlos: keine Eisenverluste kein Eisen keine Eisenverluste konstant eingeprägte Magnetisierung hoher Wirkungsgrad, bis über 90% tiefer Leerlaufstrom, typisch < 50 ma gilt nicht für EC-Motoren Keine Sättigungseffekte im Eisenkern Selbst bei den grössten Strömen bleibt das erzeugte Drehmoment streng proportional zum Motorstrom. Stärkere Magnete = stärkere Motoren 6, Seite 3

4 Vorteil eisenlos: kompakte Baugrösse effizienteres Design des Magnetkreises (auch wenn Luftspalt tendenziell grösser) kompakter Magnet im Zentrum höheres Verhältnis Leistung zu Volumen kleine Massenträgheit des Rotors Hohlzylinder gegenüber Vollzylinder hohe Dynamik typische Hochlaufzeiten: 5 50 ms 7, Vorteil eisenlos: kleine Induktivität weniger Bürstenfeuer Kommutierung: Schliessen und Öffnen eines Kontaktes über einer induktiven Last höhere Lebensdauer weniger elektromagnetische Störungen leichter zu entstören: Kondensator an den Anschlüssen Ferritkern an Zuleitungen schnelle Reaktionszeit des Stromes problematisch bei getakteter Bestromung (Pulsweitenmodulation PWM) Drossel? 8, Seite 4

5 maxon DC-Motoren: Varianten RE-Motor mit NdFeB-Magnet Graphitbürsten Kugellager A-max-Motor mit AlNiCo-Magnet Edelmetallbürsten Sintergleitlager 9, maxon DC Motorfamilien RE Programm leistungsoptimiert hochwertiger DC-Motor mit NdFeB-Magnet hohe Drehzahlen und Drehmomente 6-65mm A-max Programm gutes Preis-Leistungsverhältnis DC-Motor mit AlNiCo-Magnet RE-max Programm Performance zwischen RE und A-max 12-32mm 13-29mm 10, Seite 5

6 maxon DC Motorfamilien im Vergleich Permanentmagnet Ferrit AlNiCo NdFeB Motorprogramm F Motor A-max, S, A RE, RE-max Motorbeispiel 2130 GB A-max 19 GB RE 13 GB n/ M [min -1 /mnm ] Typenleistung 3 W 2.5 W 3 W Motorgrösse 23.3 cm cm cm 3 Durchmesser 30 mm 19 mm 13 mm Länge 33 mm 29 mm 34.5 mm Dauerdrehmoment 3.3 mnm 4.4 mnm 3 mnm 11, Teil 2: Stator - Der magnetische Kreis Permanentmagnet: erzeugt Magnetfeld mit Nord und Südpol auf gegenüberliegenden Seiten Luftspalt: je grösser der Luftspalt, umso schwächer das magnetische Feld Gehäuse: magnetischer Rückschluss aus magn. Stahl (Eisen) führt Magnetfeld zurück 12, Seite 6

7 Entwicklung der Permanentmagnete Quelle:?? max. Energieprodukt theoretische Grenze 960 kj/m 3 technisch realisierbar ca. 720 kj/m 3 NdFeB 500 kj/m 3 13, Permanentmagnete Magnet Curie- Einsatz- Motordesign Temperatur Nd 2 Fe 14 B 310 C C alle möglich, EC Sm 2 Co C 350 C SmCo C 250 C AlNiCo ~850 C 550 C nur eisenlos Hartferrit 450 C C konventionell H [ka/m] B [T] , Seite 7

8 Teil 3: Rotor und Wicklung Kollektor Kollektorplatte Welle Wicklungsabzapfung Ausgussmasse Kollektordraht Wicklung Bandage Welle mit Rändel Wicklungsabzapfungen Kollektorplatte Wicklung 15, Eisenlose Wicklungssysteme eisenlos (DC) nutenlos (EC) Faulhaber Portescap Mauthe Kodak maxon maxon Quelle: Portescap 16, Seite 8

9 Wicklung: Backlackdraht Kupferdraht Isolation Backlack Backlack: Kunststoff mit Lösungsmittel bei höheren Temperaturen ( C): Kunststoff benachbarter Drähte verschmilzt. Pressen formt die Wicklung in engen Toleranzen. Lösungsmittel gast aus: Lack wird hart. Ausbacken der Wicklung. Kupferkern: guter elektrischer Leiter Isolation: keine Kurzschlüsse 17, maxon Wicklung: normal und gestrickt standard maxon Wicklung gestrickte maxon Wicklung gestrickte Wicklung für grosse Motoren mit NdFeB-Magnet RE-Motoren, EC-Motoren grosse Wandstärke der Wicklung 18, Seite 9

10 Stromfluss durch die maxon Wicklung , Teil 4: Kraft und Drehmomenterzeugung Rückschluss rautenförmige Stromgebiete der Wicklung Kraft auf Stromgebiet Magnetfeld im Luftspalt 20, Seite 10

11 Drehmoment und Strom: k M Stromrichtung gegen Flansch Kraft Stromrichtung gegen Bürste Magnetfeld Kraft Kräfte: Kraft auf stromführende Leiter im Magnetfeld Drehmoment: Summe aller Kräfte im Abstand zu Drehachse Einflussgrössen: Geometrie Flussdichte Konstruktion Windungszahl => k M = Drehmomentkonstante M = k I = Strom M I Anwendung 21, Drehzahl und Spannung: Drehzahlkonstante rotierende Wicklung im Luftspalt mit inhomogenem Magnetfeld induzierte Spannung U ind (EMK) hängt ab von Geometrie magnetischer Flussdichte Anzahl Windungen Drehzahl n Konstruktion Anwendung n = k n U ind Drehzahlkonstante k n umgekehrt proportional zu k M umgekehrt proportional zur Generatorkonstante (V/1000 rpm) 22, Seite 11

12 Teil 5: Kommutierung mit Bürsten _ + _ , DC Kommutierung: Drehmoment-Rippel rel. Drehmoment 5% 1 14% Kollektor- Kommut Drehmoment- Segmente Punkte Rippel % % % % % Drehwinkel ( ) % 24, Seite 12

13 DC Kommutierungssysteme Edelmetall Bronzebürste mit Auflage plattierter Silberkontaktfläche Silber-Kupfer-Kollektor kleinster Kontakt- und Bürstenwiderstand (50mΩ) CLL für hohe Lebensdauer Graphit Graphitbürste mit 50% Kupfer Kupfer reduziert den Kontaktund Bürstenwiderstand Kupferkollektor Graphit dient als Schmiermittel Federsystem (schematisch) 25, DC Kommutierung: Rotoren Graphit Glasgarnbandage Kupferkollektor Edelmetall 2 Wellenenden CLL-Scheibe Silberkollektor Klebebandage 26, Seite 13

14 DC Kommutierung: Anschlusswiderstand Anschlusswiderstand R mot (I) Graphit Edelmetall Anschlusswiderstand R mot R wickl R wickl R mot I A Strom ~50 mω I A Strom 27, Edelmetall-Kommutierung: CLL das Problem + nach Kurzschluss Funkenbildung Kollektorabnützung _ Lösung Kapazität zwischen benachbarten Kollektorsegmenten Energie wird in Kondensator umgeleitet: keine Funken Kollektor C C C CLL-Scheibe 28, R S Seite 14

15 Edelmetall-Kommutierung: CLL Spannung zwischen den Kollektorsegmenten 200 V ohne CLL: Energie wird sehr schnell freigesetzt hohe Spannungen, Funken 10 V Kurzschlussphase mit CLL: Energie wird langsam freigesetzt gedämpfte Oszillation kleine Spannungen nach Kurzschluss time 29, DC-Kommutierung: Eigenschaften Graphit geeignet für hohe Ströme und Stromspitzen geeignet für Start-Stopp- und Reversierbetrieb grössere Motoren (ab ca. 10W) höhere Reibung, höherer Leerlaufstrom ungeeignet für kleine Ströme mehr Geräusch höhere elektromagnetische Emissionen aufwändiger, teurer Edelmetall geeignet für kleinste Ströme und Spannungen geeignet für Dauerbetrieb kleinere Motoren kleinere Reibung weniger Geräusch tiefe elektromagnetische Emission günstiger Preis ungeeignet für grosse Ströme und Stromspitzen ungeeignet für Start-Stopp-Betrieb 31, Seite 15

16 Teil 6: Lebensdauer und Lager Lebensdauer keine allgemeingültige Aussage möglich mittlere Anforderungen: 1'000-3'000 Stunden Extrembedingungen: weniger als 100 Stunden günstige Bedingungen: mehr als 20'000 Stunden Graphitbürsten und Kugellager für extreme Anforderungen beeinflussende Faktoren elektrische Last: höhere Ströme = höhere Elektroerosion (Bürstenfeuer) Drehzahl: höhere Drehzahl = höhere mechanische Abnützung Betriebsart: Dauerbetrieb Start-Stopp-Betrieb Umkehrbetrieb = reduzierte Lebenserwartung Temperatur Luftfeuchtigkeit Belastung der Welle (Lagerung) 32, Kugel- und Sinterlager: Vor- und Nachteile Kugellager geeignet für höhere Radialund Axiallasten geeignet für alle Betriebsarten, auch für Start-Stopp- und Reversierbetrieb grössere Motoren mehr Geräusche, speziell wenn nicht vorgespannt bei Vorspannung höhere Reibung, Verluste teurer Sintergleitlager geeignet für kleine Radial- und Axiallasten geeignet für Dauerbetrieb bei hohen Drehzahlen kleinere Motoren sehr wenig Reibung und Geräusch günstiger Preis weniger geeignet für Start-Stopp- Betrieb 34, Seite 16