maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 1© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
maxon DC motorPermanentmagnet erregter Gleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Aufbau, EigenschaftenStator: Magnetischer KreisRotor: Wicklung und StromverteilungFunktionsweiseKommutierung: Graphitbürsten, EdelmetallbürstenLebensdauer, Lager
© 2010 maxon motor ag, Sachseln, Schweiz
2, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
Teil 1: DC-Motorbauformenkonventionell, genutetz.B. Dunkermotoren
eisenlosz.B. maxon
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 2© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
3, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
Konventioneller DC Motorel. Anschlüsse
Gehäuse (magn. Rückschl.)
Wicklung
KollektorBürstensystem
Eisenkern
Permanentmagnet(aussen)
Flansch
4, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 3© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
5, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
6, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 4© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
7, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
8, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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 ?
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 5© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
9, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
maxon DC-Motoren: Varianten
A-max-Motor mit AlNiCo-MagnetEdelmetallbürstenSintergleitlager
RE-Motor mit NdFeB-MagnetGraphitbürstenKugellager
10, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 6© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
11, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
12, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 7© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
13, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
Entwicklung der Permanentmagnete
max. Energieprodukt• theoretische Grenze 960 kJ/m3
• technisch realisierbar ca. 720 kJ/m3
• NdFeB 500 kJ/m3
Quelle: ??
14, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 8© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
15, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
Teil 3: Rotor und Wicklung
Kollektorplatte
Kollektor
Wicklungs-abzapfungen
Wicklung
Welle
Kollektor-platte
Wicklung
Kollektor-draht
Wicklungs-abzapfung
Ausguss-masse
Welle mitRändel
Bandage
16, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
Eisenlose Wicklungssysteme
maxon
FaulhaberPortescap
Quelle: Portescap
MautheKodakmaxon
eisenlos (DC) – nutenlos (EC)
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 9© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
17, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
18, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 10© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
19, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
Stromfluss durch die maxon Wicklung1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
1 2 3 4 5 5 6 7 8 9 1
20, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
Teil 4: Kraft und Drehmomenterzeugung
rautenförmige Stromgebiete der Wicklung
Magnetfeld im Luftspalt
Rückschluss
Kraft aufStromgebiet
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 11© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
21, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
22, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 12© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
23, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
Teil 5: Kommutierung mit Bürsten _++
_
1 4
1 52 52 63 63 74 74 15 15 26 26 37 37 41 4
12
345
67
24, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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%
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 13© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
25, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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)
26, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
DC Kommutierung: Rotoren
Glasgarnbandage
Kupferkollektor
Klebebandage
CLL-Scheibe
Silberkollektor
2 Wellenenden
Edelmetall
Graphit
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 14© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
27, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
DC Kommutierung: Anschlusswiderstand
Rwickl
IA Strom
Rmot
IA Strom
Anschluss-widerstand
Rmot
Rwickl
Rmot (I)
Edelmetall
Graphit
~50 mΩ
Anschluss-widerstand
28, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 15© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
29, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
31, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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
maxon DC motorGleichstrommotor mit eisenloser Wicklung
Seite 16© 2010, maxon motor ag, www.maxonmotor.com/academy
32, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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)
34, ©
2010
, max
on m
otor
ag,
ww
w.m
axon
mot
or.c
om/a
cade
my
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