Wann eignen sich 4-polige DC-Motoren?

Ein 4-poliger Motor hat Vorteile, wenn Sie einen DC-Mikromotor für Anwendungen der Luft- und Raumfahrt bis hin zur Bohrlochinspektion suchen, denn die 4-polige Konstruktion ist stärker als ihr 2-poliges Pendant, benötigt aber keinen grösseren Bauraum und bringt kein zusätzliches Gewicht. Greg Dutfield von maxon UK erklärt.

Für DC-Motor-Anwendungen, die ein hohes Drehmoment bei geringem Gewicht und kompaktem Bauraum erfordern, können 4-polige Motoren die optimale Wahl sein. Ein 4-poliger Motor hat die gleiche Grundfläche wie ein 2-poliger, liefert aber ein stärkeres Drehmoment. Zudem ist ein 4-poliger Motor stärker als ein 2-poliger Motor gleicher Grösse. Das sorgt für eine stabilere Drehzahl, wenn eine Last angelegt wird.

Polzahl und Drehzahl

Die Polzahl bezieht sich auf die Anzahl der Permanentmagnetpaare in einem Motor. 2-polige Motoren haben ein einzelnes Magnetpaar in entgegengesetzter Nord- und Südausrichtung. Wird Strom angelegt, entsteht zwischen dem Polpaar ein Magnetfeld, das den Rotor zum Drehen zwingt. Andere Motorkonfigurationen haben vier Pole, also zwei Polpaare, bis hin zu mehrpoligen Ausführungen mit bis zu zwölf Polen.

Die Polzahl ist ein wichtiger Aspekt der Motorkonstruktion, denn sie wirkt sich auf die Drehzahl- und Drehmomenteigenschaften des Motors aus. Je weniger Pole, desto höher ist die Drehzahl, da für jede mechanische Umdrehung des Rotors der Magnetfeldzyklus für jedes Polpaar abgeschlossen sein muss. Je mehr Permanentmagnetpaare ein Motor aufweist, desto mehr Magnetfeldzyklen sind erforderlich. Ergo: Es dauert länger, bis der Rotor eine 360-Grad-Drehung vollendet. Die Drehzahl wird durch die Anzahl der Polpaare bei einer festen Frequenz geteilt. Ausgehend von einem 2-poligen Motor mit 10000 Umdrehungen pro Minute würde ein 4-poliger Motor 5000 Umdrehungen pro Minute erzeugen, ein 6-poliger Motor würde mit 3300 Umdrehungen pro Minute laufen und so weiter.

Polzahl und Drehmoment

Ein grösserer Motor erzeugt ein höheres Drehmoment. Dabei ist es unerheblich, wie viele Pole er hat. Doch vergleichen wir Motoren der gleichen Grösse, so kann mit einer höheren Polzahl ein stärkeres Drehmoment erzeugt werden. Bei einem 4-poligen Motor wird das Drehmoment stark erhöht, weil die kompakte Bauweise einen dünneren magnetischen Rückschluss zulässt. Damit steht mehr Platz für zwei Permanentmagnet-Polpaare zur Verfügung und bei maxon Motoren auch für eine patentierte, dicker gestrickte Wicklung.  

Ein vierpoliger Motor kann zwar den gleichen Bauraum wie ein zweipoliger Motor einnehmen. Eine weitere Erhöhung der Polzahl von sechs auf zwölf Pole würde jedoch bedeuten, dass Rahmengrösse und Masse entsprechend zunehmen müssen, um das zusätzlich benötigte Kupfer und Eisen sowie die Magnete unterzubringen.

maxon EC-4pole-Motoren halten die Drehzahl auch bei hoher Last.

4-polige Motoren sind stärker

Die Stärke eines Motors wird in der Regel durch seine Kennliniensteigung definiert. Mit anderen Worten, ein stärkerer Motor kann seine Drehzahl unter Last besser halten. Die Kennliniensteigung wird über die Verringerung der Drehzahl pro 1 mNm Last gemessen. Je niedriger der Wert und je flacher die Kennlinie, desto eher kann ein Motor seine Drehzahl unter Last halten.

Einen stärkeren Motor erhält man durch die gleichen Konstruktionsmerkmale, die auch zu einem höheren Drehmoment beitragen, wie z. B. grössere Wicklungen und die Verwendung optimaler Materialien in der Herstellung. Aus diesem Grund ist eine 4-polige Motorkonstruktion stärker als ein 2-poliger Motor gleicher Baugrösse.

Ein 22-mm-Motor mit 4 Polen von maxon hat beispielsweise eine Kennliniensteigung von 19.4 min-1/mNm. Pro 1 mNm Belastung verliert er also nur 19.4 Umdrehungen pro Minute. Ein 2-poliger maxon Motor derselben Baugrösse weist hingegen eine Kennliniensteigung von 110 min-1/mNm auf. Konstruktion und Materialspezifikationen sind von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Daher kann die Kennliniensteigung eines 2-poligen Motors einer anderen Marke steiler sein, was wiederum auf einen schwächeren Motor hinweist.

Wann sollten Sie zum 4-poligen Motor greifen?

Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie profitieren von der zusätzlichen Stärke eines 4-poligen Motors bei gleichzeitig geringem Gewicht. Auch bei handgeführten Elektrowerkzeugen spielen diese Eigenschaften eine wichtige Rolle, denn 2-polige Motoren sind hier häufig nicht in der Lage, das nötige Drehmoment zu liefern. Ausserdem sind auch hier ein geringes Gewicht und kleine Baugrössen ausschlaggebend.

Nicht zuletzt sind die Eigenschaften von 4-poligen Motoren auch für Hersteller von mobilen Robotern wichtig. Ob bei der Inspektion von Öl- und Gaspipelines oder bei der Suche nach verschütteten Erdbebenopfern – Roboter auf Rädern oder Raupen müssen unwegsames Gelände, Hindernisse und steile Hänge überwinden. Hier bieten 4-polige Motoren das erforderliche Drehmoment und die nötige Stärke. Zudem verhelfen sie den Herstellern von mobilen Robotern zu einem kompakten, leichten Design.

Die kompakte Grösse in Kombination mit einer niedrigen Kennliniensteigung ist auch für die Bohrlochinspektion im Öl- und Gassektor von entscheidender Bedeutung. Ein kompakter 2-poliger Motor wäre hier nicht stark genug. Ein mehrpoliger Motor wäre aber wiederum zu gross für den verfügbaren Bauraum. Für diese Anwendungen hat maxon daher speziell einen 4-poligen Motor mit einem Durchmesser von 32 Millimetern entwickelt.

Optimierung eines 4-poligen Motors

Viele Anwendungen, für die ein 4-poliger Motor geeignet ist, finden in extremen Umgebungen oder unter rauen Bedingungen statt. Der Betrieb muss daher auch bei hohen Temperaturen, Druck und Vibrationen gewährleistet sein. So müssen beispielsweise Motoren für Bohrlochinspektionen bei Temperaturen von über 200 °C arbeiten, während Motoren in autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) in ölgefüllten Gehäusen untergebracht sind, die höchsten Drücken in Tiefen bis zu 6000 Metern standhalten. Durch zusätzliche Konstruktionsmerkmale wie Hülsen und Methoden zur Verbesserung der Wärmeableitung können kompakte 4-polige Motoren auch unter extremen Betriebsbedingungen langfristig eingesetzt werden.

Die Spezifikation des Motors selbst ist zwar von grundlegender Bedeutung, aber um eine Anwendung zu optimieren, sollte die Konstruktion des gesamten Antriebssystems berücksichtigt werden, einschliesslich Getriebe, Encoder, Antriebe und Steuerungen. Die maxon Ingenieur:innen beraten nicht nur bei der Spezifikation des Motors, sondern entwickeln in Zusammenarbeit mit OEM-Konstruktionsteams auch komplette, anwendungsspezifische Antriebssysteme.

EC 4pole 22 + GP24

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Besprechen Sie Ihr Anforderungsprofil direkt mit Greg Dutfield, Verkaufsingenieur für Industrie & E-Mobilität, maxon UK unter +44 1189 733337 oder greg.dutfield@maxongroup.com