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maxon DC motor Gleichstrommotor mit eisenloser Wicklung Seite 1 © 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy maxon DC motor Permanentmagnet erregter Gleichstrommotor mit eisenloser Wicklung Aufbau, Eigenschaften Stator: Magnetischer Kreis Rotor: Wicklung und Stromverteilung Funktionsweise Kommutierung: Graphitbürsten, Edelmetallbürsten Lebensdauer, Lager © 2010 maxon motor ag, Sachseln, Schweiz 2, © 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy Teil 1: DC-Motorbauformen konventionell, genutet z.B. Dunkermotoren eisenlos z.B. maxon

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maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung

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maxon DC motorPermanentmagnet erregter Gleichstrommotor mit eisenloser Wicklung

Aufbau, EigenschaftenStator: Magnetischer KreisRotor: Wicklung und StromverteilungFunktionsweiseKommutierung: Graphitbürsten, EdelmetallbürstenLebensdauer, Lager

© 2010 maxon motor ag, Sachseln, Schweiz

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Teil 1: DC-Motorbauformenkonventionell, genutetz.B. Dunkermotoren

eisenlosz.B. maxon

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Konventioneller DC Motorel. Anschlüsse

Gehäuse (magn. Rückschl.)

Wicklung

KollektorBürstensystem

Eisenkern

Permanentmagnet(aussen)

Flansch

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Eisenloser maxon DC motor (RE 35)

el. Anschlüsse

selbsttragende Wicklung

Kollektor

Bürsten

Permanentmagnet(im Zentrum)

Gehäuse (magn. Rückschluss)

Flansch

Kollektor-platte

Welle

Kugellager

Kugellager

Pressring

Pressring

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Vorteil eisenlos: kein Rastmomentkeine weichmagnetischen Zähne, die mit dem Permanentmagnet wechselwirkenruckfreier Lauf auch bei kleinen Drehzahlenweniger Vibrationen und Geräusche

jede beliebige Rotorposition kann einfach geregelt werdenkeine Nichtlinearitäten im Regelverhalten

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Vorteil eisenlos: keine Eisenverlustekein Eisen – keine Eisenverlustekonstant eingeprägte Magnetisierunghoher Wirkungsgrad, bis über 90%tiefer Leerlaufstrom, typisch < 50 mAgilt nicht für EC-Motoren

Keine Sättigungseffekte im EisenkernSelbst bei den grössten Strömen bleibt das erzeugte Drehmoment streng proportional zum Motorstrom. Stärkere Magnete = stärkere Motoren

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Vorteil eisenlos: kompakte Baugrösseeffizienteres 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

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Vorteil eisenlos: kleine Induktivitätweniger Bürstenfeuer– Kommutierung: Schliessen und Öffnen eines Kontaktes über einer

induktiven Lasthöhere Lebensdauerweniger elektromagnetische Störungenleichter 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-Motoren: Varianten

A-max-Motor mit AlNiCo-MagnetEdelmetallbürstenSintergleitlager

RE-Motor mit NdFeB-MagnetGraphitbürstenKugellager

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maxon DC Motorfamilien

RE Programm– leistungsoptimiert– hochwertiger DC-Motor mit NdFeB-Magnet– hohe Drehzahlen und Drehmomente

A-max Programm– gutes Preis-Leistungsverhältnis– DC-Motor mit AlNiCo-Magnet

RE-max Programm– Performance zwischen RE und A-max

∅ 6 - 65mm

∅ 12 - 32mm

∅ 13 - 29mm

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maxon DC Motorfamilien im VergleichPermanentmagnet Ferrit AlNiCo NdFeBMotorprogramm F Motor A-max, S, A RE, RE-max

Motorbeispiel 2130 GB A-max 19 GB RE 13 GB∆n/∆M [min-1/mNm] 1150 1150 1250Typenleistung 3 W 2.5 W 3 W

Motorgrösse

Durchmesser 30 mm 19 mm 13 mmLänge 33 mm 29 mm 34.5 mmDauerdrehmoment 3.3 mNm 4.4 mNm 3 mNm

23.3 cm3 4.6 cm38.2 cm3

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Teil 2: Stator - Der magnetische Kreis

Gehäuse:magnetischer Rückschlussaus magn. Stahl (Eisen)führt Magnetfeld zurück

Luftspalt:je grösser der Luftspalt,umso schwächer das magnetische Feld

Permanentmagnet:erzeugt Magnetfeldmit Nord und Südpol auf gegenüberliegenden Seiten

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Entwicklung der Permanentmagnete

max. Energieprodukt• theoretische Grenze 960 kJ/m3

• technisch realisierbar ca. 720 kJ/m3

• NdFeB 500 kJ/m3

Quelle: ??

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PermanentmagneteB [T]

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

H [kA/m] 900 800 700 600 500 400 300 200 100

Magnet Curie- Einsatz- MotordesignTemperatur

Nd2Fe14B 310°C 110-170°C alle möglich, ECSm2Co17 825°C 350°CSmCo5 720°C 250°CAlNiCo ~850°C 550°C nur eisenlosHartferrit 450°C 250-350°C konventionell

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Teil 3: Rotor und Wicklung

Kollektorplatte

Kollektor

Wicklungs-abzapfungen

Wicklung

Welle

Kollektor-platte

Wicklung

Kollektor-draht

Wicklungs-abzapfung

Ausguss-masse

Welle mitRändel

Bandage

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Eisenlose Wicklungssysteme

maxon

FaulhaberPortescap

Quelle: Portescap

MautheKodakmaxon

eisenlos (DC) – nutenlos (EC)

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Wicklung: Backlackdraht

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.

Kupferdraht

BacklackIsolation

• Kupferkern:• guter elektrischer Leiter

• Isolation:• keine Kurzschlüsse

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gestrickte maxon Wicklung

gestrickte Wicklung für • grosse Motoren mit NdFeB-Magnet• RE-Motoren, EC-Motoren• grosse Wandstärke der Wicklung

standard maxon Wicklung

maxon Wicklung: normal und gestrickt

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Stromfluss durch die maxon Wicklung1 2 3 4 5 6 7 8 9 1

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Teil 4: Kraft und Drehmomenterzeugung

rautenförmige Stromgebiete der Wicklung

Magnetfeld im Luftspalt

Rückschluss

Kraft aufStromgebiet

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Drehmoment und Strom: kM

Kräfte:Kraft auf stromführende Leiter im Magnetfeld

Drehmoment:Summe aller Kräfte im Abstand zu Drehachse

Einflussgrössen:GeometrieFlussdichteWindungszahl=> kM = Drehmomentkonstante

I = Strom

Konstruktion

AnwendungIkM M ⋅=

Stromrichtung gegen Flansch

Kraft

Kraft

Stromrichtung gegen Bürste

Magnet-feld

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Drehzahl und Spannung: Drehzahlkonstanterotierende Wicklung im Luftspalt – mit inhomogenem Magnetfeld– induzierte Spannung Uind (EMK) hängt ab von

Geometriemagnetischer FlussdichteAnzahl WindungenDrehzahl n

Drehzahlkonstante kn– umgekehrt proportional zu kM

– umgekehrt proportional zur Generatorkonstante (V/1000 rpm)

indn Ukn ⋅=Konstruktion

Anwendung

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Teil 5: Kommutierung mit Bürsten _++

_

1 4

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DC Kommutierung: Drehmoment-Rippel

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 60 120 180 240 300 360

Drehwinkel (°)

rel.

Dre

hmom

ent

Kollektor- Kommut.- Drehmoment-Segmente Punkte Rippel

5 10 5 %6 6 14 %7 14 2.5 %9 18 1.5 %11 22 1 %13 26 0.75 %

5%

14%

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DC Kommutierungssysteme

EdelmetallBronzebürste mit Auflage plattierter SilberkontaktflächeSilber-Kupfer-Kollektorkleinster Kontakt- und Bürstenwiderstand (50mΩ)CLL für hohe Lebensdauer

GraphitGraphitbürste mit 50% KupferKupfer reduziert den Kontakt-und BürstenwiderstandKupferkollektorGraphit dient als SchmiermittelFedersystem (schematisch)

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DC Kommutierung: Rotoren

Glasgarnbandage

Kupferkollektor

Klebebandage

CLL-Scheibe

Silberkollektor

2 Wellenenden

Edelmetall

Graphit

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DC Kommutierung: Anschlusswiderstand

Rwickl

IA Strom

Rmot

IA Strom

Anschluss-widerstand

Rmot

Rwickl

Rmot (I)

Edelmetall

Graphit

~50 mΩ

Anschluss-widerstand

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das Problem

Lösung– Kapazität zwischen benachbarten

Kollektorsegmenten– Energie wird in Kondensator

umgeleitet: keine Funken

Edelmetall-Kommutierung: CLL

+

_nach Kurzschluss

FunkenbildungKollektor-abnützung

RS

C

Kollektor

CLL-Scheibe

C

C

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Edelmetall-Kommutierung: CLL

time

Kurzschluss-phase

nach Kurzschluss

ohne CLL:• Energie wird sehr schnell freigesetzt• hohe Spannungen, Funken

mit CLL:• Energie wird langsam freigesetzt • gedämpfte Oszillation• kleine Spannungen

10 V

200 V

Spannungzwischen den

Kollektor-segmenten

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DC-Kommutierung: EigenschaftenGraphit

geeignet für hohe Ströme und Stromspitzengeeignet für Start-Stopp- und Reversierbetriebgrössere Motoren (ab ca. 10W)

höhere Reibung, höherer Leerlaufstromungeeignet für kleine Strömemehr Geräuschhöhere elektromagnetische Emissionen aufwändiger, teurer

Edelmetallgeeignet für kleinste Ströme und Spannungengeeignet für Dauerbetriebkleinere Motorenkleinere Reibungweniger Geräuschtiefe elektromagnetische Emissiongünstiger Preis

ungeeignet für grosse Ströme und Stromspitzenungeeignet für Start-Stopp-Betrieb

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Teil 6: Lebensdauer und LagerLebensdauer

keine allgemeingültige Aussage möglichmittlere Anforderungen: 1'000 -3'000 StundenExtrembedingungen: weniger als 100 Stundengünstige Bedingungen: mehr als 20'000 Stunden

Graphitbürsten und Kugellager für extreme Anforderungen

beeinflussende Faktorenelektrische Last: höhere Ströme = höhere Elektroerosion (Bürstenfeuer)Drehzahl: höhere Drehzahl = höhere mechanische AbnützungBetriebsart: DauerbetriebStart-Stopp-BetriebUmkehrbetrieb = reduzierte LebenserwartungTemperaturLuftfeuchtigkeitBelastung der Welle (Lagerung)

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Kugel- und Sinterlager: Vor- und NachteileKugellager

geeignet für höhere Radial-und Axiallastengeeignet für alle Betriebsarten, auch für Start-Stopp- und Reversierbetriebgrössere Motoren

mehr Geräusche, speziell wenn nicht vorgespanntbei Vorspannung höhere Reibung, Verluste teurer

Sintergleitlagergeeignet für kleine Radial- und Axiallastengeeignet für Dauerbetrieb bei hohen Drehzahlenkleinere Motorensehr wenig Reibung und Geräuschgünstiger Preis

weniger geeignet für Start-Stopp-Betrieb