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Elektromotoren

Hohe Induktivität beeinflusst Drehzahlverhalten bürstenloser Motoren

| Autor / Redakteur: Urs Kafader / Reinhold Schäfer

Bild 1: Wicklungen mit Eisenkern führen zu einem höheren Magnetfluss und der Motor wird stärker.
Bild 1: Wicklungen mit Eisenkern führen zu einem höheren Magnetfluss und der Motor wird stärker. (Bild: Maxon)

Motoren mit einer Eisenkernwicklung erzeugen einen höheren Magnetfluss und der Motor wird stärker. Allerdings verlangsamt die damit verbundene hohe Induktivität die Reaktion des Stroms.

  • Vorsicht bei der Auslegung von Motoren mit genuteten Wicklungen für hohe Drehzahlen! Sie könnten mehr Spannung benötigen als gedacht.
  • Bei niedrigen Drehzahlen kann man problemlos die spezifizierten Motordaten verwenden.
  • Zusätzlich können Sättigungseffekte das maximal erreichbare Drehmoment einschränken und die resultierende mechanische Zeitkonstante ist länger als die ideale Angabe in der Spezifikation.

Im Gegensatz zu den klassischen, eisenlosen Motoren haben die Flachmotoren von Maxon und die EC-i-Motoren eine Wicklung mit Eisenkern. Dies ergibt einen höheren Magnetfluss der Wicklung und der Motor wird stärker (Bild 1). Allerdings verlangsamt die hohe Induktivität aufgrund des Eisenkerns die Reaktion des Stroms. Bei hohen Drehzahlen können sich Abweichungen vom einfachen linearen Verhalten der Motoren mit eisenloser Wicklung ergeben, zum Beispiel bei DCX- und ECX-Speed-Motoren von Maxon. Ein weiterer Effekt ist die magnetische Sättigung im Eisenkern bei hohen Strömen. Beide Effekte sind im schematischen Diagramm im Bild 2 zusammengefasst, das man auch im Katalog von Maxon findet.

Die Motorwicklung stellt eine induktive und resistive Last dar, und der Motorstrom wird exponentiell gedämpft anwachsen, wenn eine Spannung angelegt wird. Das exponentielle Verhalten ist durch die elektrische Zeitkonstante, τel, charakterisiert, die sich einfach aus der Anschlussinduktivität Lmot geteilt durch den Anschlusswiderstand Rmot des Motors berechnet, τel = LmotRmot. Der maximale Strom am Ende ist durch das ohmsche Gesetz gegeben, Iend = Umot ⁄ Rmot (vergleiche Bild 3.

Elektrische Zeitkonstante und Kommutierung

Bürstenlose Motoren werden elektronisch kommutiert, das heißt, der Strom in jeder Phase wird ein- und ausgeschaltet. Bild 4 zeigt den idealen Stromverlauf bei Blockkommutierung in den drei Phasen. Dies dient als Grundlage zur Spezifikation der Motoren von Maxon.

Die Induktivität bewirkt, dass sich der Wicklungsstrom nicht so abrupt ändern kann, wie es Bild 4 andeutet. Doch wie viel Zeit wird in jedem Kommutierungsinter­vall für den Stromanstieg benötigt?

Berechnen wir die Dauer eines Kommutierungsintervalls und vergleichen diese mit der elektrischen Zeitkonstanten! Klar ist: je höher die Motordrehzahl, umso kürzer das Kommutierungsintervall. Zur Berechnung nehmen wir einen extremen Fall, die Leerlauf-Drehzahl bei Nennspannung n0. Die Anzahl der Kommutierungsintervalle pro Motorumdrehung ist sechs mal die Anzahl Polpaare p. Während einer Minute ergeben sich 6pn0 Kommutierungsschritte. Somit ist die Dauer eines Kommutierungsschritts ∆tcomm = (60 s/min)/(6pn0).

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