Ähnlichkeitsbetrachtungen in Elektromotoren Grenzen für kleine DC Motoren U. Kafader, J. Schulze ag, Sachseln 1
Hintergrund Miniaturisierung Automatisierung betrifft alle Antriebskomponenten Motor Getriebe Sensoren für Drehzahl und Position Elektronik 2
maxon Studie: Mini-Positioniersystem 6 mm Durchmesser mit Hohlwelle Encoder EC Motor Harmonic Drive Getriebe 3
Leistung kleiner Antriebe Nutzbare Drehmomente werden kleiner Leistungsabgabe dank hoher Motor-Drehzahl Lösung: Getriebe zur Drehzahlreduktion zur Erhöhung des Drehmoments Herausforderung: hohe Eingangsdrehzahl 4
Fragestellung Wenn Elektromotoren immer kleiner werden Wie verhalten sich erzeugtes Drehmoment und Verlustmomente? Welche minimalen Motorabmessungen für DC Motoren können erwartet werden? Welches Motordesign wird bevorzugt? Welche Massnahmen punkto Materialwahl, Herstellprozesse, Lagerung und Kommutierung werden bei den kleinsten Motoren umgesetzt? 5
Inhalt 1. Skalierung von Elektromotoren 2. Motorperformance =? Dauerdrehmoment, Dauerstrom thermisches Verhalten 3. Grenzen der Skalierung, Verlustmomente 4. die kleinsten maxon Antriebsysteme spezielle Features 6
Betrachtete Systeme Permanentmagnet erregte Gleichstrommotoren < 100W Typenleistung eisenlose Wicklungen DC Motoren: mit Bürsten EC Motoren: elektronisch kommutierte (= bürstenlose) Gleichstrommotoren Motoren mit nutzbarem Drehmoment! 7
maxon DC motor spacer washer sleeve bearing housing (magn. return) el. connections permanent magnet flange mounting threads sleeve bearing plastic ring C-clip shaft winding bondage tape precious metal brushes commutator commutator plate brushassembly 8
maxon EC motor outer cover el. connections Hall elements Hall sensor rotor position sensing magnet bearing spring shaft rotor (permanent magnet) housing bearing winding laminated steel stack PCB, winding configuration el. connections winding 9
1. Skalierung alle Motordimensionen massstäblich verkleinert L( λ) = λ L A( λ) = λ 2 0 A 0 L λ A λ 2 z.b.: Skalierung el. Widerstand Wicklung R( λ) = ρ Cu L( λ) A( λ) = ρ Cu λ L λ 2 A 1 λ je kleiner der Motor, desto grösser der Widerstand 10
2. Motorperformance Dauerdrehmoment als Mass thermisch begrenzt durch maximale Stromwärmeverluste Dauerstrom Wärmeleitung zur Umgebung als kritische Grösse T = R P Katalogangaben bei unterschiedlichen Bedingungen (max. Wicklungstemperatur, Wärmedissipation) grosse Streuung P loss max = R I 2 th loss 11
Zulässiges Dauerdrehmoment M cont Drehzahl 12 000 10 000 80 00 60 00 40 00 Da uer - Bet riebsber eich Zu lässiges Da uerdrehmoment Grenzdre hzahl aus Dauerstrom Katalogwert bei 25 C und Standardbedingungen Einfluss Umgebungstemperatur 20 00 Kurzzeit - Betriebsbereich 12 20 40 60 8 0 0.5 1.0 1.5 2.0 1 2 3 4 5 6 Zu lässiger Dauerstrom Drehmoment Strom
Thermischer Widerstand thermal resistance [K/W] 1000 R th (λ) ~ λ -2 100 R th (λ) ~ 1/λ 10 motor diameter < 11mm 1 10 100 1000 10 000 lateral motor area [mm 2 ] 13
Dauerbelastungsstrom Skalierung Ohmsche Verlustleistung T max = R th P loss,max = R th R I 2 cont Skalierung Dauerstrom (für kleinste Motoren) I cont 1 R( λ) R th ( λ) λ λ = λ je grösser der Motor, umso mehr Strom ist erlaubt 14
Dauerdrehmoment Skalierung Permanentmagnet erregte Flussdichte: B PM = konstant Skalierung elektrisch erregter magn. Fluss Dauerbelastungsstrom Skalierung Dauerdrehmoment M cont BPM Icont ( λ) A( λ) I cont λ 3 λ 15
Dauerdrehmoment vs. Volumen normiert 125 C Wicklungstemperatur 25 C Umgebungstemperatur ohne spezielle Kühlmassnahmen nur Motoren mit SmCo- oder Neodym - Magneten diverse Hersteller 16
Dauerdrehmoment vs. Volumen 1000 max. cont. torque [mnm] 100 10 1 0.1 0.01 M(λ) ~ λ 3 ~ volume 0.001 10 100 1000 10 000 motor volume [mm 3 ] 17
3. Grenzen der Verkleinerung Toleranzen lassen sich nicht im selben Ausmass verkleinern grössere relative Toleranzen = grössere relative Sicherheitsabstände = kleinere relative Performance neue Materialien neue Herstelltechniken neue Prozesse 18
Realisierte Verlustmomente torque losses [mnm] 10 1 0.1 0.01 0.001 MR brushless BL aus I0 MR metal EB brushes aus I0 MR GB aus I0 graphite brushes losses ~ 5% 0.01 0.1 1 10 100 max. cont. torque [mnm] 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 19
Verlustmomente: Folgerungen je kleiner, umso mehr Mühe gibt man sich Graphitbürsten: nur bei grösseren Motoren Edelmetallbürsten: etwa 10 µnm realisiert bürstenlos: für die kleinsten Abmessungen dominant: Eisenverluste 20
4. maxon Mikro-Antriebe Motoren und Kombinationen spezielle Features (z.b. um Verluste klein zu halten) 21
RE 8, RE 6 Motordurchmesser RE 8: 8mm 6mm RE 6: Keramikwelle Zirkondioxid CIM-Technologie Sintereisen-Gleitlager optimale Materialpaarung Kollektor direkt auf Welle geklebt kleinster Durchmesser = kleines Reibmoment Edelmetallbürsten 22
EC 6 körniger Rückschluss 3-phasige maxon Wicklung Steuermagnet Durchmesser EC 6: 6mm Print mit Hall- Sensoren und Anschlüssen 2-poliger NdFeB-Magnet Planetengetriebe zur Drehmomentsteigerung vorgespannte Kugellager 23
Rückschlussmaterial: Verluste im Vergleich 70 65 60 55 50 45 40 35 30 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Verlust-Drehmoment (µnm) Gehäuse-Temperatur ( C) massiv körnig 0 20'000 30'000 40'000 50'000 60'000 70'000 80'000 90'000 100'000 24 Drehzahl (UpM)
Zusammenfassung Wenn Elektromotoren immer kleiner werden, werden sie bürstenlos. kann man minimale Motordurchmesser von 2-3 mm für DC Motoren erwarten. reicht klassische Feinwerktechnik nicht mehr (<6 mm Durchmesser). Lösung: z.b. LIGA Kompromisse bei der Materialwahl 25