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Gestapelte Wicklungen

Text: Bernadette Tröndle, Dunkermotoren
Eine neue Wickeltechnik bei bürstenlosen Gleichstrommotoren bringt hohe Leistungsdichte und Robustheit für das Motorenkonzept.

Um der Forderung nach einem attraktivem Preis/Leistungsverhältnis gerecht zu werden, hat die Firma Dunkermotoren die Bauweise des Axialflussmotors mit gestapelten Wicklungen zur Industriereife gebracht und in einem ersten Produkt umgesetzt. Beim Axialflussmotor BGA 22 bilden sich die magnetischen Felder in axialer Richtung, also parallel zur Motorwelle aus. Dies steht im Gegensatz zum klassisch genuteten Aufbau, bei der sich das Magnetfeld radial ausbildet. Das Axialflussprinzip wird beispielsweise bei Printed Motors angewandt, die unter anderem in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden.

Bei diesem Motorkonzept werden normalerweise mehrere Wicklungsphasen auf eine Trägerscheibe in einem Druckverfahren aufgebracht. Im Gegensatz hierzu stapelt Dunkermotoren mehrere Scheiben hintereinander, die abwechselnd sowohl Wicklung als auch Magnetmaterial beinhalten. Dabei wechseln sich immer eine Wicklungsscheibe, welche die Wicklung für eine Motorphase trägt und mit dem Gehäuse fest verbunden ist, mit einer Magnetscheibe, die fest mit der Motorwelle verbunden ist, ab. Die Magnete übertragen das Drehmoment auf die Welle und drehen sich mit dieser mit. Da der Motor dreiphasig aufgebaut ist, werden mindestens drei solcher Stapel benötigt um einen funktionsfähigen Motor zu erhalten. Über die Anzahl der Pakete mit je drei Stapeln ist es möglich – unter entsprechender Erhöhung der Baulänge –, die Leistungsfähigkeit des Motors bei gleichbleibendem Baudurchmesser nach oben zu skalieren.

Der neue Motor BGA 22x22 – A steht für Axialfluss – ist eisenlos aufgebaut. Diese Bauweise bietet konzeptbedingt die bekannten Vorteile wie Rastmomentfreiheit und einen vibrationsarmen leisen Lauf. Der Motor ist mittels Seltenerd-Magneten permanentmagnetisch erregt und die Kommutierung erfolgt elektronisch, also bürstenlos.

Die eingesetzte Wickeltechnik gepaart mit der Stapelbauweise bietet die Grundlage für die Volumenleistung, die wesentlich höher ist als bei klassischen eisenlosen Motoren. Der hohe Wirkungsgrad sorgt für eine gute Eignung zum batteriebetriebenen Einsatz. Mit zwei Batterien á 1,5 V Zellenspannung ist der Motor auch für Betriebsspannungen von nur 3 V ausgelegt. Die hohe Überlastfähigkeit wird durch einen hohen Wirkungsgrad und der guten thermischen Anbindung der Wicklung an das Gehäuse unterstützt.

Performance

Bei mittleren Drehzahlen an 24V-Betriebsspannung, einer Umgebungstemperatur von 20 °C und einer Erwärmung der Wicklung um 100 K bietet der Motor bei einer Nenndrehzahl 8000 U/min ein Dauerdrehmoment von 2,1 Ncm, was einer Abgabeleistung von 18 W entspricht. Wicklungsauslegungen für weitere Betriebsspannungen und andere Drehzahlen sind grundsätzlich möglich. Der Motor kann sowohl auf hohe Drehzahlen als auch auf niedrige Drehzahlen ausgelegt werden, die sich besonders für die Kombination mit Getrieben eignen. Die aktuellen Auslegungen bieten Drehzahlen bis 16 000 U/min.

Durch die eisenlose Bauweise ergeben sich für die Anwendung die für eisenlose Motorkonzepte typischen Vorteile wie eine niedrige Induktivität, eine gute Regelbarkeit auch bei kleineren Drehzahlen sowie eine hervorragende Positionierbarkeit. Da keine Rastmomente vorhanden sind, läuft der Motor leicht aus dem Stillstand an und lässt sich mühelos generatorisch in eine Drehbewegung setzen.

Der Motor ist serienmäßig mit drei Hallsensoren ausgestattet, welche die zur Kommutierung erforderliche Rotorlageinformation liefern. Diese können auch zur Drehzahlregelung und zum Positionieren herangezogen werden. Sollten die Hallsensoren für die in der Anwendung geforderte Positioniergenauigkeit nicht ausreichen, ist der Motor mit entsprechenden Gebersystemen zu kombinieren. Die Anschlüsse der Hallsensoren sowie deren Spannungsversorgung und die Anschlüsse der Motorphasen sind über ein Flachbandkabel nach außen geführt. Aus Platzgründen wurde auf einen am Motor angebauten Stecker verzichtet. Es besteht jedoch die Möglichkeit den Motor mit einem am Flachbandkabel angeschlagenen Stecker ab Werk zu beziehen.

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