maxon DC-Motoren

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maxon DC-Motoren

maxon DC motor
Gleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
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
© 2012, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
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1
maxon DC motor
Konventioneller DC Motor
el. Anschlüsse
Wicklung
Eisenkern
Flansch
Bürstensystem
Kollektor
Permanentmagnet
(aussen)
Gehäuse
(magn. Rückschl.)
Eisenloser maxon DC motor (RE 35)
selbsttragende
Wicklung
Kollektorplatte
Pressring
Welle
Kugellager
Bürsten
el. Anschlüsse
Flansch
Gehäuse
(magn. Rückschluss)
Kugellager
Pressring
Kollektor
Permanentmagnet
(im Zentrum)
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maxon DC motor
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
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
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maxon DC motor
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
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 ?
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maxon DC motor
maxon DC-Motoren: Varianten
RE Motor mit
NdFeB Magnet
Kugellager
Edelmetallbürsten
Graphitbürsten
A-max Motor mit
AlNiCo Magnet
Sintergleitlager
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
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maxon DC motor
maxon DC Motorfamilien im Vergleich
Permanentmagnet
AlNiCo
NdFeB
Motorprogramm
A-max, S, A
RE, RE-max
Motorbeispiel
A-max 19 GB
RE 13 GB
Kennliniensteigung
1150 min-1/mNm
1250 min-1/mNm
Typenleistung
2.5 W
3W
Durchmesser
19 mm
13 mm
Länge
31.5 mm
34.5 mm
Motorgrösse
8.9 cm3
4.6 cm3
Dauerdrehmoment
3.8 mNm
2.4 mNm
Umgefährer Preis
≈ 50.- CHF
≈ 100.- CHF
DC Motoren - Varianten
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
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maxon DC motor
Entwicklung der Permanentmagnete
800
Künftige Möglichkeiten
neuer Materialien?
max. Energieprodukt
• theoretische Grenze 960 kJ/m3
• technisch realisierbar ca. 720 kJ/m3
700
600
(BH)max = 485 kJ / m3
(BH)max 500
[kJ/m3]
400
(theoretische Grenze NdFeB)
NdFeB
300
Sm2Co17
200
SmCo5
AlNiCo
100
Stahl
0
1880
Ferrit
1900
1920
1940
1960
1980
2000
2020
2040
2060
Jahr
Quelle: http://www.vacuumschmelze.de/
Magnete
Permanentmagnete
Magnet
Curie- EinsatzTemperatur
Motordesign
Nd2Fe14B
Sm2Co17
SmCo5
AlNiCo
Hartferrit
310°C
825°C
720°C
~850°C
450°C
alle möglich, EC
110-170°C
350°C
250°C
550°C
250-350°C
B [T]
1.2
1.0
nur eisenlos
konventionell
0.8
0.6
0.4
0.2
H [kA/m] 900 800 700 600 500 400 300 200 100
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maxon DC motor
Teil 3: Rotor und Wicklung
Kollektor
Kollektordrähte
AusgussWicklungsmasse
abzapfungen
Kollektorplatte
Welle
Wicklungsabzapfungen
Welle mit
Rändel
Kollektorplatte
Wicklung
Bandage
Wicklung
Eisenlose Wicklungssysteme
eisenlos (DC) – nutenlos (EC)
maxon
und weitere
maxon
Faulhaber
Portescap
Quelle: Portescap
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maxon DC motor
Wicklung: Backlackdraht
Kupferkern:
 guter elektrischer Leiter
Isolation:
Kupferdraht
Isolation
Backlack
 keine Kurzschlüsse
Backlack: Kunststoff mit Lösungsmittel
 bei höheren Temperaturen (130-150°C):
– Kunststoff benachbarter Drähte verschmilzt.
– Pressen formt die Wicklung in engen
Toleranzen.
– Lösungsmittel gast aus: Lack wird hart.
– Ausbacken der Wicklung.
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
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maxon DC motor
Stromfluss durch die maxon Wicklung
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
1 2 3 4 5
5 6 7 8 9 1
Teil 4: Kraft und Drehmomenterzeugung
Rückschluss
rautenförmige
Stromgebiete
der Wicklung
Kraft auf
Stromgebiet
Magnetfeld
im Luftspalt
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maxon DC motor
Drehmoment und Strom: kM
Stromrichtung gegen Flansch
Kraft
Magnetfeld
Kräfte:
Kraft auf stromführende Leiter
im Magnetfeld
Drehmoment:
Summe aller Kräfte im Abstand
zu Drehachse
Kraft
Einflussgrössen:
Geometrie
Konstruktion
Flussdichte
Windungszahl
=> kM = Drehmomentkonstante
M  kM  I
Stromrichtung gegen Bürste
I = Strom
Anwendung
Drehzahl und Spannung: Drehzahlkonstante
 rotierende Wicklung im Luftspalt
– mit inhomogenem Magnetfeld
– induzierte Spannung Uind (EMK) hängt ab von
 Geometrie
Konstruktion
 magnetischer Flussdichte
 Anzahl Windungen
Anwendung
 Drehzahl n
n  k n  Uind
 Drehzahlkonstante kn
– umgekehrt proportional zu kM
– umgekehrt proportional zur Generatorkonstante (V/1000 rpm)
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maxon DC motor
Teil 5: Kommutierung mit Bürsten
+
_
+
_
1
4
1
5
2
5
2
6
3
6
3
7
4
7
4
1
5
1
5
2
6
2
6
3
7
3
7
4
1
4
rel. Drehmoment
DC Kommutierung: Drehmoment-Rippel
5%
1
14%
0.8
0.6
0.4 DrehmomentKollektor- Kommut.Segmente Punkte
Rippel
0.2
5
6
7
9
11
13
10
6
14
18
22
26
5%
0 14 %
2.5 % 60
0
1.5 %
1%
0.75 %
120
180
240
300
360
Drehwinkel (°)
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maxon DC motor
DC Kommutierungssysteme
Graphit
 Graphitbürste mit 50% Kupfer
 Kupfer reduziert den Kontakt


und Bürstenwiderstand
Kupferkollektor
Graphit dient als
Schmiermittel
Federsystem (schematisch)
Edelmetall
 Bronzebürste mit Auflage plattierter
Silberkontaktfläche
 Silber-Kupfer-Kollektor
 kleinster Kontakt- und Bürstenwiderstand (50mW)
 CLL für hohe Lebensdauer
DC Kommutierung: Rotoren
Graphit
Glasgarnbandage
Kupferkollektor
Edelmetall
CLL-Scheibe
2 Wellenenden
Silberkollektor
Klebebandage
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maxon DC motor
DC Kommutierung: Anschlusswiderstand
Graphit
Anschlusswiderstand
Edelmetall
Rmot (I)
Rmot
Rwickl
Anschlusswiderstand
IA Strom
Rmot
~50 mW
Rwickl
IA Strom
Edelmetall-Kommutierung: CLL
Problem
– Bürstenfeuer verkürzt Lebensd.
Spannung zwischen
den Kollektorsegmenten
200 V
ohne CLL:
• Energie wird sehr schnell
freigesetzt
• hohe Spannungen, Funken
10 V
Kollektor
Lösung
Zeit
mit CLL:
• Energie wird langsam
freigesetzt
• gedämpfte Oszillation
• kleine Spannungen
– Kapazität zwischen benachbarten Kollektorsegmenten
– Energie wird in Kondensator umgeleitet: keine Funken
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maxon DC motor
Lebensdauer und CLL (Beispiele)
Motor 1
I = 50 mA
10
n = 13'000 rpm
U = 24 V
CLL
Motor 2
I = 250 mA
n = 1'500 rpm
U = 10 V
10
8
8
6
6
4
4
2
2
CLL
Test
abgebrochen
5
2'500 5'000 7'500 10'000 h
10
15
20
x 1000h
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
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15
maxon DC motor
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
beeinflussende Faktoren
 elektrische Last:
höhere Ströme = höhere
Elektroerosion (Bürstenfeuer)
 Drehzahl:
höhere Drehzahl = höhere
mechanische Abnützung
 Betriebsart:
Dauerbetrieb
Start-Stopp-Betrieb
Umkehrbetrieb = reduzierte
Lebenserwartung
Graphitbürsten und
Kugellager für extreme
Anforderungen
 Temperatur
 Luftfeuchtigkeit
 Belastung der Welle (Lagerung)
Kugel- und Sinterlager: Vor- und Nachteile
Kugellager
 geeignet für höhere Radial

und 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-StoppBetrieb
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