Was sind die Unterschiede zwischen DC-, BLDC- und AC-Servomotoren?

Technologien verstehen, um die richtige Wahl zu treffen

Die Erfindung des Servomotors vor etwa 100 Jahren veränderte die Möglichkeiten der elektrischen Bewegung und ermöglichte eine präzise Geschwindigkeits- und Positionsregelung für Anwendungen der industriellen Automatisierung, Robotik, Medizintechnik, Flugsteuerung, CNC-Maschinen und vielem mehr.

Servomotor-Technologien haben sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt und die Anwendungsmöglichkeiten erweitert, was gleichzeitig zu einem Dilemma führt: Welche Technologie sollten Sie für Ihre Anwendung wählen? Werfen wir einen Blick auf bürstenbehaftete DC-Permanentmagnetmotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) und AV-Permanentmagnetmotoren und bewerten die Stärken, Schwächen und besten Einsatzmöglichkeiten jeder Kategorie.der Motoren.  

Bürstenlose DC-Permanentmagnet-Servomotoren

Die früheste Servomotor-Technologie, die 1926 erfunden wurde, verwendete einen bürstenbehafteten DC-Motor, ein Konzept, das bis ins Jahr 1832 zurückreicht. Die heute üblichen Konstruktionen enthalten Permanentmagnete am Stator und auf Rotorbleche gewickelte Kupferspulen, wobei die Servosteuerung über ein Echtzeit-Feedbacksystem wie einen Tachometer erfolgt.

Der Servoantrieb interpretiert die Feedbacksignale und moduliert die an den Motor gelieferte Spannung in einer Reihe von Impulsen unterschiedlicher Breite, ein Prozess, der als Pulsweitenmodulation (PWM) bekannt ist. Diese Impulse werden durch einen rotierenden Schalter, der aus einer Reihe von Kupferstäben (dem Kommutator) besteht, die mit feststehenden Bürsten aus einem elektrisch leitenden Material wie Graphit in Kontakt stehen, kommutiert, d. h. an die verschiedenen Phasen der Rotorspulen abgegeben.

Wenn die Spulen nacheinander geschaltet werden, erzeugen sie ein sich drehendes Magnetfeld, das mit den Permanentmagneten interagiert, um den Rotor zu drehen. Auf Grundlage der Daten des Feedbacksystems für die Geschwindigkeit verwendet der Antrieb eine Pulsweitenmodulation (PWM), um Fehler kontinuierlich zu korrigieren, z. B. um eine gleichmäßige Rotordrehzahl und -positionierung zu gewährleisten, selbst wenn der Motor unterschiedliche Lasten antreibt.

Vorteile von bürstenbehafteten DC-Servomotoren

• Geringere Anschaffungskosten, obwohl die begrenzte Lebensdauer diesen Vorteil zunichte machen kann.
• Hohes Drehmoment beim Anfahren und bei niedrigeren Drehzahlen.
• Relativ einfaches Motorsteuerungssystem.

Nachteile von bürstenbehafteten DC-Servomotoren

• Abgenutzte Bürsten müssen regelmäßig ausgetauscht werden.
• Ein abgenutzter Kommutator erfordert Nachbesserung, neue Lager oder sogar den Austausch des Motors.
• Physische Kommutierung begrenzt die Leistungsübertragung und kann bei Überschreitung zu Lichtbögen führen.

Bürstenlose DC-Servomotoren (BLDC)

Bürstenlose Gleichstrommotoren wurden in den 1960er Jahren erfunden, was durch Fortschritte in der halbleiterbasierten Elektronik ermöglicht wurde. Die ersten Modelle waren in ihrer Leistung begrenzt, aber BLDC-Motoren kamen in den 1980er Jahren mit der zunehmenden Verfügbarkeit leistungsstarker Permanentmagnetmaterialien zum Einsatz. Heute werden diese Motoren weitaus häufiger in industriellen Anwendungen eingesetzt als bürstenbehaftete DC-Servomotoren.

Da keine physischen Bürsten mit einem rotierenden Kommutator in Berührung kommen, ist die grundlegende Konstruktion eines BLDC-Motors im Vergleich zu einem Bürstenmotor umgekehrt, um den Wirkungsgrad und die Leistung zu verbessern. Die Ankerwicklungen sind innerhalb des Stators/Gehäuses auf geschlitzten Lamellen gewickelt und die Permanentmagnete sind am Rotor befestigt.

Ein Feedbacksystem, wie z.B,.ein Encoder, meldet kontinuierlich die Position des Rotors an den Antrieb, der wiederum direkt die Gleichspannung an den Spulen umschaltet, um eventuelle Rotationsfehler zu korrigieren und die gewünschte Richtung, Geschwindigkeit und Position zu erreichen. Diese elektronische Umschaltung erfolgt in Schritten, die grob einer Sinuswelle nachempfunden sind, wobei der Strom an jedem beliebigen Drehpunkt auf zwei Phasen angewendet wird und die dritte Phase immer abgeschaltet ist.

Diese gestufte Wellenform führt zu einer Drehmomentwelligkeit, während durch die Anziehung zwischen dem Permanentmagnetrotor und den gezahnten Statorblechen ein Cogging-Effekt entsteht. Diese Eigenschaften erschweren eine präzise Steuerung und einen reibungslosen Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten, was jedoch bei hohen Geschwindigkeiten selten ein Problem darstellt. Nutenlose Motoren ohne Statorzähne eliminieren den Cogging-Effekt, allerdings wird die Laufruhe bei niedrigen Drehzahlen durch ein deutlich geringeres Drehmoment erkauft.

Vorteile bürstenloser DC-Servomotoren

• Präzise und reaktionsschnelle Regelung bei mittleren bis hohen Geschwindigkeiten.
• Keine physische Kommutierung bedeutet längere Lebensdauer, höhere Effizienz und minimalen Wartungsaufwand.
• Mit weitaus höheren Geschwindigkeiten als Bürstenmotoren und geringerem Drehmomentabfall.

Nachteile von bürstenlosen DC-Servomotoren

• Komplexere Antriebselektronik und Programmierung/Abstimmung.
• Cogging und Drehmomentwelligkeit können bei 200 U/min die Laufruhe und Steuerung beeinträchtigen.

AC-Permanentmagnet-Servomotoren

Synchrone AC-Permanentmagnet-Servomotoren sind die bevorzugte Wahl für die meisten Anwendungen, die eine präzise Positions- und Geschwindigkeitsregelung erfordern. Diese Technologie wurde erstmals in den 1980er Jahren entwickelt und seitdem aufgrund von Fortschritten in der Antriebselektronik, bei Permanentmagnetmaterialien, Fertigungstoleranzen und anderen Innovationen kontinuierlich verbessert.

Der grundlegende Aufbau ähnelt dem eines BLDC-Servomotors. Der äußere Stator besteht aus dreiphasigen Wicklungsspulen, die zwischen einer Reihe von Stahlblechlamellen eingefügt sind. Ein elektronisches Kommutierungssystem versorgt diese Spulen nacheinander mit Strom, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das mit den Permanentmagneten auf dem Innenrotor interagiert und so eine Rotation erzeugt.

Im Gegensatz zu BLDC-Servomotoren wird der Kommutierungsstrom für einen AC-Servomotor in Abhängigkeit von der Rotorposition in einer Sinuswelle an alle drei Phasen geliefert. Die Stromstärke variiert sowohl in der Amplitude als auch in der Frequenz, um ein stärkeres Drehmoment und eine präzisere Regelung zu ermöglichen. Die glatte Sinuswelle minimiert auch die Auswirkungen von Cogging und Drehmomentwelligkeit.

Vorteile von AC-Permanentmagnet-Servomotoren

• Außergewöhnliche Drehmomentdichte, Leistung und Effizienz in einem relativ kompakten Paket.
• Vielseitige Formfaktoren, Größen und Leistungsbereiche.
• Niedriges Trägheitsmoment für schnelle Reaktion auf dynamisch wechselnde Lasten und Geschwindigkeiten.
• Lange, zuverlässige Lebensdauer bei minimalem Wartungsaufwand.

Nachteile von AC-Permanentmagnet-Servomotoren

• Bei geschlitzten Motoren kann es bei niedrigen Drehzahlen zu Cogging kommen, das jedoch durch eine Sinuskommutierung und eine ausgeklügelte Antriebs-Firmware ausgeglichen werden kann.

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