Auswahlhilfe für Gleichstrommotoren: Drehmoment, Drehzahl, Spannung und Anwendungen

Gleichstrommotor Auswahlhilfe: Wo man anfangen soll

Bei der Auswahl des richtigen Gleichstrommotors kommt es auf vier Zahlen an: erforderliches Drehmoment, erforderliche Drehzahl, verfügbare Versorgungsspannung und Arbeitszyklus . Jede andere Entscheidung – bürstenbehaftet oder bürstenlos, Motorgröße, Getriebeübersetzung – ergibt sich daraus, dass diese vier zuerst richtig getroffen werden. Ausgehend von der Gesamtnennleistung eines Motors und nicht vom tatsächlichen Lastbedarf ist dies der häufigste Grund dafür, dass Motoren heiß laufen, unter Last abwürgen oder vorzeitig verschleißen.

In einer praktischen Auswahlsequenz wird zunächst die mechanische Belastung durchgearbeitet und diese dann in elektrische Anforderungen umgewandelt: Definieren Sie das Lastdrehmoment und die Drehzahl an der Abtriebswelle, berücksichtigen Sie etwaige Getriebeuntersetzungen, berechnen Sie die elektrische Leistung und Stromaufnahme, die das Drehmoment erfordert, und vergleichen Sie diese erst dann mit der verfügbaren Versorgungsspannung und den thermischen Grenzen der infrage kommenden Motoren.

Berechnung der Drehmoment- und Geschwindigkeitsanforderungen

Drehmomentanforderungen beginnen mit der mechanischen Last: Bei einer rotierenden Last entspricht das Drehmoment (in Nm) der auf einen Radius ausgeübten Kraft multipliziert mit diesem Radius; Bei einer linearen Bewegung über eine Leitspindel oder einen Riemen ergibt sich das Drehmoment aus der erforderlichen Kraft dividiert durch den mechanischen Vorteil des Antriebssystems. Fügen Sie einen Sicherheitsspielraum von etwa 20–50 % über dem berechneten stationären Drehmoment hinzu, um Anlaufträgheit, Reibungsverluste und Lastschwankungen abzudecken.

Geschwindigkeitsanforderungen werden typischerweise durch die Anwendungszykluszeit oder Prozessrate festgelegt, ausgedrückt in U/min an der Abtriebswelle. Wenn sich zwischen dem Motor und der Last ein Getriebe befindet, muss die Wellendrehzahl des Motors selbst der Abtriebsdrehzahl multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis entsprechen, und der Drehmomentbedarf des Motors sinkt proportional (vor Effizienzverlusten, die je nach Getriebetyp typischerweise das nutzbare Drehmoment um 5–15 % reduzieren).

Auswahl der richtigen Versorgungsspannung

Die Spannungsauswahl wird durch die Stromquelle des Systems und den Strom gesteuert, den die Antriebselektronik verarbeiten kann, nicht allein durch die Motorgeschwindigkeit. Bei einer gegebenen Ausgangsleistung bedeutet eine höhere Spannung eine geringere Stromaufnahme Dies ermöglicht eine dünnere Verkabelung, kleinere Anschlüsse und geringere Widerstandsverluste – ein wichtiger Faktor bei langen Kabelstrecken oder industriellen Hochleistungsantrieben.

• Batteriebetriebene und tragbare Geräte: normalerweise auf 12 V, 24 V oder 48 V DC-Busspannungen beschränkt
• Industrielle Automatisierungslinien: werden oft mit 24-V- oder 48-V-Steuerspannung oder DC-Bussen mit höherer Spannung für große Servo- und bürstenlose Systeme betrieben
• Vermeiden Sie die Auswahl eines Motors mit einer Nennleistung, die weit über der verfügbaren Versorgungsspannung liegt – der Betrieb unter Spannung verringert das verfügbare Drehmoment und kann zu einer unregelmäßigen Drehzahlregelung führen

Gleichstrommotoren in Industrie- und Automatisierungsanwendungen

Industrie- und Automatisierungsgeräte bevorzugen Gleichstrommotoren – insbesondere bürstenlose Designs –, bei denen eine präzise, wiederholbare Bewegungssteuerung wichtiger ist als die reine Leistungsabgabe. Fördersysteme, Verpackungslinien, CNC-Achsenantriebe und Materialhandhabungsgeräte verwenden üblicherweise bürstenlose Gleichstrom- oder Servo-Gleichstrommotoren gepaart mit Encodern für eine Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldung im geschlossenen Regelkreis.

• Förder- und Rollenantriebe: bürstenbehaftete oder bürstenlose Gleichstrommotoren, abgestimmt auf die Anforderungen an Lastdrehmoment und Bandgeschwindigkeit
• Pick-and-Place- und CNC-Achsen: bürstenlose DC- oder DC-Servomotoren für genaue, wiederholbare Positionierung
• Pumpen und Lüfter in Prozessanlagen: PMDC- oder BLDC-Motoren, ausgewählt für Effizienz im Dauerbetrieb
• Fahrerlose Transportfahrzeuge (AGVs) und mobile Roboter: kompakte BLDC-Motoren, die aufgrund ihrer hohen Drehmomentdichte und Batterieeffizienz ausgewählt wurden

Anwendungen mit hohem Drehmoment und kompakte Motoren für die Robotik

Anwendungen mit Gleichstrommotoren mit hohem Drehmoment – Kräne, Winden, elektrische Aktuatoren und Hochleistungsanlasser – erfordern in der Regel seriengewickelte oder bürstenlose Konstruktionen mit hoher Polzahl, die ein großes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen liefern können, häufig in Kombination mit einem Getriebe, um das Drehmoment an der Abtriebswelle weiter zu vervielfachen. Bei diesen Anwendungen haben das Anlaufdrehmoment und die thermische Kapazität Vorrang vor der Höchstgeschwindigkeit.

Robotikanwendungen liegen am anderen Ende des Spektrums: kompakte bürstenlose Gleichstrommotoren mit hoher Drehmomentdichte und integrierten Encodern sind die Standardwahl für Gelenkaktuatoren und mobile Plattformen, bei denen jedes Gramm Gewicht und jeder Millimeter Gehäusedurchmesser die Gesamtsystemleistung beeinflusst. Kernlose und rahmenlose BLDC-Designs werden zunehmend in Robotergelenken eingesetzt, insbesondere weil sie das Rastmoment reduzieren und die Steuerung bei niedrigen Geschwindigkeiten verbessern.

Gleichstrommotor vs. Wechselstrommotor

Der grundlegende Unterschied besteht in der Einfachheit der Steuerung gegenüber der reinen Skalierbarkeit: Gleichstrommotoren bieten eine einfache Drehzahl- und Drehmomentsteuerung durch Spannungs- und Stromanpassung, während Wechselstrommotoren sich durch einen leistungsstarken Dauerbetrieb mit geringerem Wartungsaufwand auszeichnen . Wechselstrom-Induktionsmotoren dominieren große Industrieantriebe mit fester Drehzahl – Pumpen, Kompressoren, große Lüfter –, bei denen ihre Robustheit und das Fehlen von Bürsten oder Magneten zu einer längeren Lebensdauer bei hohen Leistungsniveaus führen.