Große bürstenlose Motoren: Rahmengröße, Nennleistungen, thermische Grenzen und Auswahlhilfe

Ein 2-kW-Industriegebläse, nachgerüstet mit einem bürstenlosen 57-mm-Motor, fällt am Antrieb selten aus. Es versagt an der Wicklung, die innerhalb der ersten 40 Minuten im Dauerbetrieb 130 Grad Celsius erreicht. Der Rahmendurchmesser und nicht die Abstimmung des Controllers entscheidet darüber, ob ein großer bürstenloser Motor diesen Zyklus übersteht, und es ist die erste Zahl, die Jiangsu Retek Motion Co., Ltd. überprüft, wenn ein OEM eine Angebotsanfrage sendet.

Retek Motion mit Sitz in Suzhou, China, hat 2018 die Herstellung bürstenloser Gleichstrommotoren ins eigene Haus aufgenommen, 2021 Kabeleinspritzung und CNC-Bearbeitung hinzugefügt und beliefert bis 2024 Kunden in mehr als 20 Ländern. Diese Geschichte erklärt die Prioritätsreihenfolge: Bei Motoren über der 80-mm-Rahmenlinie werden die mechanischen und thermischen Entscheidungen lange vor der Elektronik getroffen.

Was als großer bürstenloser Motor gilt

Ein großer bürstenloser Motor ist ein dreiphasiger Permanentmagnet-Synchronmotor mit einem Statoraußendurchmesser von 80 mm oder mehr, einer Nennleistung von etwa 0,3 kW bis 3 kW Dauerwellenleistung und normalerweise für einen 24-V- bis 400-V-Bus spezifiziert.

Die Grenze ist eher thermischer als kosmetischer Natur. Ein 600-W-Dauermotor gibt etwa 45 bis 70 W als Wärme ab. Die Gehäuseoberfläche wächst mit dem Quadrat des Durchmessers, während die Verluste, die das Gehäuse tragen muss, mit dem Volumen wachsen. Unter 60 mm können sich die meisten Konstruktionen daher ausschließlich auf Konvektion und Strahlung verlassen. Oberhalb von 80 mm funktioniert das nicht mehr, weshalb derselbe 24-V-Bus, der einen 42-mm-Motor leise dreht, einen 86-mm-Stator zum Kochen bringt, es sei denn, der Strom wird durch eine höhere Windungszahl oder eine höhere Versorgungsspannung gesenkt.

Wo große bürstenlose Motoren ihren Preis verdienen

Große bürstenlose Motoren amortisieren sich in fünf Arbeitszyklen: kontinuierliche Luftbewegung, Traktion und Lenkung, Pumpen- und Kompressorantrieb, rastungsarme Positionierung und schwere Robotergelenke.

Kontinuierliche Luftbewegung ist der einfachste Fall, der allein mit der Energie zu rechtfertigen ist. Ein industrieller Axialventilator, der 8.000 Stunden im Jahr mit 2 kW läuft, verbraucht 16.000 kWh; Jeder gewonnene Prozentpunkt Effizienz ist mehr wert als jede mögliche Einsparung im Schaltschrank. Große bürstenlose Rahmen gewinnen hier, weil Schlitzfüllung, Magnetqualität und Lagerwiderstand einfacher zu optimieren sind, sobald der Stator genügend Platz für Kupfer hat.

Traktion und Lenkung belohnen die Topologie unterschiedlich. Ein Gabelstaplerantrieb benötigt das volle Drehmoment bei Nulldrehzahl, das ein Bürstenmotor nur durch den Verschleiß seines Kommutators und seiner Bürsten liefert. Eine bürstenlose Traktionseinheit mit 24 V DC und 300 W hält das Spitzendrehmoment ohne Kontaktverschleiß, und Lenksysteme über 1 kW benötigen normalerweise das gleiche Verhalten in einem kleineren Bereich. Wenn ein Projekt diese 1-kW-Schwelle überschreitet, werden Plattformbereiche wie z Bürstenlose Hochleistungs-Gleichstrommotoren Es lohnt sich, sie zu überprüfen, bevor der Rahmen repariert wird, da die zu diesem Zeitpunkt gewählte Spannungsklasse alle nachgelagerten Bereiche einschränkt.

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Auswahlvariablen, die das Ergebnis tatsächlich verändern

Fünf Variablen entscheiden darüber, ob ein großer bürstenloser Motor seine Nennleistung erfüllt: Wicklungstemperaturbereich, Busspannung und Windungszahl, Rastmoment, Lager- und Wellenbelastung sowie der physische Standort des Controllers.

Wicklungstemperatur und Magnet-Derating

Kontinuierliche Bewertungen werden durch den heißesten Punkt bestimmt, nicht durch den Durchschnitt. Eine Wicklung, die bei 130 Grad Celsius hinter einer für 155 Grad ausgelegten Isolierung der Klasse F sitzt, behält einen Wärmespielraum von 25 Grad. Auch die Magnetstärke nimmt mit der Hitze ab und beträgt etwa 0,11 Prozent der Remanenz pro Grad über 20 Grad Celsius. Zehn zusätzliche Grad Betriebstemperatur kosten also etwa ein Prozent des verfügbaren Drehmoments, bevor im Datenblatt ein elektrischer Effekt auftritt.

Busspannung, Strom und Leitergröße

Strom ist der teure Teil eines großen bürstenlosen Motors. Ein 2-kW-Motor an einem 24-V-Bus zieht nahezu 90 A, was einen dicken Magnetdraht, einen großen Controller und einen kurzen Wärmepfad erfordert. Der Betrieb desselben Ausgangs an einem 230-V-Wechselstromeingang senkt den Strom auf unter 10 A und verringert den Widerstandsverlust erheblich, da der Verlust dem Quadrat des Stroms folgt. Die Erhöhung der Spannung ist normalerweise die günstigste Möglichkeit, einen großen Rahmen kühler zu machen.

Rastmoment und Low-Cogging-Designs

Das Rastmoment ist das, was ein Bediener spürt, wenn er die Welle von Hand dreht, und das, was eine Positionierungsschleife bei niedriger Geschwindigkeit bekämpft. Bei großen Rahmen entscheiden Schlitz-Pol-Kombinationen und Rotorschräglauf darüber, ob die Rastung unter zwei Prozent des Nenndrehmoments bleibt oder über fünf Prozent steigt. Bei medizinischen Bohrern, Körperpflegeprodukten und Robotergelenken kommt es vor allem auf Rahmen mit geringer Verzahnung an, bei denen Drehmomentschwankungen direkt in Geräusche und Oberflächengüte umgewandelt werden.

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Lager, Wellen und Radiallast

Die Rahmengröße bringt Rotormasse und Lagerbelastung mit sich. Ein 130-mm-Motor, der über einen Riemen und eine Riemenscheibe angetrieben wird, kann mehrere Hundert Newton Seitenlast am Wellenende erzeugen, und ein Lagerpaar, das für einen 57-mm-Rahmen dimensioniert ist, erreicht bei dieser Belastung nicht seine Nennlebensdauer L10. Fragen Sie nach den radialen und axialen Belastungsgrenzen in Newton und vergleichen Sie diese dann mit der tatsächlichen Riemenspannung oder Getriebereaktion.

Integrierter Controller oder separater Antrieb

Der Standort des Laufwerks entscheidet über Kabellänge, Gehäusegröße und Servicezugang. Ein integrierter Controller macht ein bis drei Meter Motorkabel überflüssig, was Schaltverluste und abgestrahlte Geräusche reduziert und dafür sorgt, dass eine einzelne versiegelte Einheit die IP65-Washdown-Anforderungen ohne separaten Schrank erfüllt. Eine Plattform wie die Bürstenloser, wassergeschützter Motor mit Schutzart IP65 Die Klasse zeigt, wie diese Verpackungsauswahl bei der 80-mm-Rahmenlinie getroffen wird.

Rahmengröße vs. Dauerleistung bei großen bürstenlosen Motoren

Die kontinuierliche Leistung skaliert schneller als der Rahmendurchmesser, so dass eine Vergrößerung um eine Rahmengröße weit mehr als nur eine proportionale Leistungssteigerung bedeutet.

• Durch die Verdoppelung des Rahmendurchmessers erhöht sich das nutzbare Dauerdrehmoment etwa um das Vierfache und die Leistung um etwa das Fünffache, da das Drehmoment mit dem Quadrat des Rotordurchmessers und der Stapellänge skaliert.
• Die Spannungsklasse, nicht die Baugröße, begrenzt oft zuerst die Nennleistung: Ein 112-mm-Motor bei 24 V wird durch den Strom begrenzt, bevor er durch die Wärme begrenzt wird.
• Die Kühlung bestimmt die Spitze jedes Bandes. Durch das Hinzufügen eines Lüfters oder den Wechsel von einem versiegelten Gehäuse zu einem belüfteten Gehäuse kann die Leistung eines 100-mm-Rahmens von 0,6 kW auf 1,0 kW gesteigert werden.

Kundenspezifische große bürstenlose Motoren im Vergleich zum Katalogbestand

Oberhalb der 100-mm-Rahmenlinie übertreffen kundenspezifische Motoren bei den Gesamtprojektkosten in der Regel den Katalogbestand, da die Wicklung, die Welle und der Stecker das Projekt stärker definieren als der Blechpaket.

Der Kompromiss ist real und es geht nicht immer um den Preis. Ein Fahrmotor der 100-mm-Klasse, der für einen bestimmten Gabelstaplerbereich gebaut wurde, kann eine Kupplung, einen Unterlegscheibenstapel und eine Adapterplatte überflüssig machen, und jede entfernte Schnittstelle bedeutet einen zu kontrollierenden Toleranzstapel weniger. Der Katalogweg gewinnt, wenn die Stückzahlen gering sind, die Maschine bereits über eine bewährte Motorhalterung verfügt und Ausfallzeiten der dominierende Kostenfaktor sind.

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Spezifikations-Checkliste, bevor Sie eine Angebotsanfrage senden

Sechs Zahlen bestimmen das Angebot. Senden Sie sie zusammen und ein Motorenhersteller kann beim ersten Mal statt beim dritten Mal einen Rahmen und eine Wicklung angeben.

1. Kontinuierliches und Spitzenwellendrehmoment, mit dem Arbeitszyklus in Prozent der Zeit und den erwarteten Betriebsstunden.
2. Busspannung, verfügbarer Strom und ob der Controller mit dem Motor geliefert wird oder bereits ausgewählt ist.
3. Mechanischer Bereich: Rahmendurchmesser, Gesamtlänge, Flanschmuster, Wellendurchmesser, Keilnut und Montageausrichtung.
4. Thermische Umgebung: Umgebungstemperatur, Luftstrom um das Gehäuse und erforderlicher Schutzgrad.
5. Rückmeldung und Steuerung: Nur Hall-Sensoren, Inkremental- oder Absolutwertgeber oder sensorlose Steuerung sowie beliebige Geschwindigkeits- oder Positionsgenauigkeitsziele.
6. Verbindung und Umgebung: Kabellänge, Steckertyp, Verguss oder Schutzbeschichtung sowie eventuelle Abwaschungen oder chemische Einwirkungen.

Häufig gestellte Fragen

Welche Baugröße gilt als großer bürstenloser Motor?

Der praktische Grenzwert liegt bei 80 Millimetern Statoraußendurchmesser. Darüber hinaus steigen die Dauerleistungen auf über 300 W, eine Zwangskühlung wird erforderlich und die Auswahl von Lagern, Wellen und Wicklungen beginnt das Design zu dominieren.

Wie viel Dauerleistung liefert ein bürstenloser 130-mm-Motor?

Ein zwangsluftgekühlter 130-mm-Rahmen fasst typischerweise 1,5 bis 2 kW kontinuierlich, wobei ein 230-V-AC-Eingang den Strom so niedrig hält, dass weiterhin ein abgedichtetes Gehäuse verwendet werden kann. Die Flüssigkeitskühlung treibt den gleichen Rahmen nach oben.

Benötigen große bürstenlose Motoren einen separaten Controller?

Nicht unbedingt. Integrierte Controller sparen ein bis drei Meter Motorkabel ein und vereinfachen die IP65-Verpackung, was bei Washdown- und Outdoor-Geräten wichtig ist. Separate Antriebe gewinnen, wenn der Schrank bereits vorhanden ist und die Wartungsfreundlichkeit im Vordergrund steht.

Wie reduziere ich das Rastmoment in einem großen bürstenlosen Motor?

Wählen Sie eine Nut- und Polkombination mit einem hohen kleinsten gemeinsamen Vielfachen, fügen Sie Rotor- oder Statorschräge hinzu und halten Sie den Luftspalt durch ein bearbeitetes Gehäuse konstant. Diese drei Änderungen halten das Rastmoment routinemäßig unter zwei Prozent des Nenndrehmoments.