Wer in der Antriebstechnik auf kompakte Gleichstrommotoren setzt, muss zuerst eine Wahl treffen – zwischen bürstenbehafteten (DC) und bürstenlosen (BLDC) Motoren. Letztere werden bei Maxon auch EC-Motoren genannt (elektronisch kommutiert). Der nachfolgende Text dient als Leitfaden, um den richtigen Motortyp für eine bestimmte Anwendung auszuwählen.

Das Kommutierungssystem mit Bürsten limitiert die Lebensdauer des DC-Motors. Normalerweise lassen sich damit einige tausend Stunden erreichen, im besten Fall vielleicht 10.000 Stunden. Die Lebensdauer kann aber auch schon nach weniger als 100 Stunden vorbei sein. Eine genaue Voraussage ist kaum möglich, da es keine verlässlichen Berechnungen gibt. Vieles hängt von der Belastung ab. Hoher Strom, hohe Drehzahl, Umkehrbetrieb und hohe Vibrationen verringern die Lebensdauer. Oft braucht es deshalb einen Vergleich mit einer ähnlichen Anwendung.

Bei bürstenlosen DC-Motoren begrenzen die Kugellager die Lebensdauer des Motors, was sich ziemlich präzise abschätzen lässt. Typischerweise sind die Lager für mehrere 10.000 Stunden ausgelegt. Nach wie vor gilt aber: Für viele Anwendungen reicht eine Betriebsdauer von einigen 1.000 Stunden locker aus.

Drehzahl und Drehmoment

Als Ausgangspunkt betrachten wir einen bürstenbehafteten DC-Motor gegebener Baugröße. Diese Ausführungen sind nur Trends. Welche Drehzahlen und Drehmomente möglich sind, hängt spezifisch vom jeweiligen Motortyp ab. Ein bürstenbehafteter DC-Motor kann Drehzahlen bis maximal 20.000 min^-1 erreichen. In den meisten Fällen liegt die Grenzdrehzahl aber unter 10.000 min^-1. Bei höheren Drehzahlen nimmt die Lebensdauer des Motors aufgrund steigender elektrischer und mechanischer Abnützung massiv ab.

Ein von der Baugröße und magnetischem Aufbau vergleichbarer bürstenloser DC-Motor lässt sich bei viel höheren Drehzahlen betreiben, in Einzelfällen über 100.000 min^-1. Solche Antriebe sind somit perfekt geeignet in Anwendungen, die viel Speed verlangen, etwa für Industrie-Schneider, -Fräser und gewisse Lüfter. Interessant ist, dass bürstenlose Motoren oft mehrpolig ausgeführt werden. Dies vergrößert das Drehmoment, allerdings auf Kosten der Drehzahl. Denn viele Anwendungen benötigen die extrem hohen Drehzahlen nicht, aber etwas mehr Drehmoment ist sehr willkommen. Und dennoch: Einer der Hauptvorteile der bürstenlosen Motoren sind die höheren Drehzahlen.

Spezielle Umgebungsbedingungen

Das Bürstensystem von Gleichstrommotoren kann bei speziellen Anwendungen zu Komplikationen führen:

• Bürstenfeuer verursacht elektromagnetische Störungen, die eventuell gedämpft werden müssen. In explosiven Gasen sind die Funken nicht gerade willkommen. Allerdings benötigt auch ein bürstenloser Motor Modifikationen, um explosionsgeschützt zu sein.
• Graphitbürsten erzeugen Graphitstaub, der Reinräume, Vakuum oder optische Anwendungen verunreinigen kann.
• Graphitbürsten brauchen zudem eine gewisse Feuchtigkeit und etwas Sauerstoff in der Atmosphäre, um gut zu funktionieren.
• Edelmetallbürsten müssen geschmiert werden. Daraus ergibt sich, dass beide Bürstensysteme nicht für Hochvakuum-Anwendungen geeignet sind.

Der bürstenbehaftete DCX-Motor. © Maxon Motor

Aus diesen Gründen sind die meisten Motoren für spezielle Umgebungsbedingungen bürstenlos. Dies gilt etwa für Anwendungen im Ultrahoch-Vakuum, in der Tiefenbohrung oder in sterilen Geräten für die Medizintechnik.

Ansteuerung und Betrieb

Wenn es um den Betrieb geht, gibt es keinen Motor, der so einfach zu betreiben ist wie der Gleichstrommotor mit Bürs-ten. Eine Spannung an den beiden Anschlüssen genügt, und der Motor dreht. Dagegen ist beim bürstenlosen Motor eine zusätzliche Kommutierungselektronik nötig. Die Verkabelung ist aufwendiger, da bis zu acht Anschlüsse vorhanden sind.

Die Situation ändert sich allerdings bei geregelten Antrieben: Meist lassen sich die Regler für Drehzahl, Position oder Drehmoment mit beiden Motortypen (DC und BLDC) verwenden. In diesen Fällen sind die Kosten für die Elektronik und den Feedbacksensor sowie der Verkabelungsaufwand sehr ähnlich.

Der bürstenlose Gleichstrommotor EC 40. © Maxon Motor

Bei der Entscheidung für einen bürstenbehafteten oder bürstenlosen Motoren spielen verschiedene Kriterien eine Rolle. Ob ein bürstenbehafteter oder bürstenloser DC-Motor sinnvoll ist, hängt von verschiedenen Kriterien ab:

• geforderten Drehzahl – mit Vorteilen für bürstenlose Motoren bei hohen Drehzahlen.
• Lebensdauer – wiederum mit Vorteilen für bürstenlos.
• Umgebungsbedingungen – Anpassungen bei bürstenlosen Motoren sind meist einfacher.
• Verkabelungs- und Betriebsaufwand – mit Vorteilen bei einfachen Antrieben auf der bürstenbehafteten Seite.

Ob die Entscheidung für DC- oder BLDC-Motoren fällt, hängt am Ende von technischen Erwägungen ab. Aber auch Umgebungsbedingungen, Lebensdaueraspekte und ökonomische Überlegungen spielen eine Rolle. Berücksichtigt der Anwender alle Aspekte der Anwendung, wird er die richtige Lösung finden. Falls doch Hilfe bei der Antriebsauswahl benötigt wird, helfen die Experten von Maxon gerne weiter.

Urs Kafader, Leiter der technischen Ausbildung bei Maxon / am