In der heutigen Industrie, wo höchste Qualitätsstandards gelten, verleihen erst die richtigen Elektromotoren mechatronischen Systemen ihre eigentliche Funktionalität. Entwickler sollten bei der Auswahl von Elektromotoren besonders sorgfältig vorgehen, da die gewählte Technologie nicht nur die technischen Eigenschaften des Systems bestimmt, sondern auch dessen Wartungsanforderungen, Energieeffizienz und letztendlich die Betriebskosten über den gesamten Produktlebenszyklus.
Die drei Hauptkategorien von Elektromotoren
In der Industriepraxis stehen Entwickler meist vor der Wahl zwischen drei bewährten Technologien bei Elektromotoren, die sich in verschiedenen Anwendungsbereichen etabliert haben. Schrittmotoren gehören zu den präzisesten Elektromotoren und haben sich in der Präzisionsindustrie besonders bewährt. Diese Elektromotoren zeichnen sich durch ihre Fähigkeit zur präzisen Positionierung ohne zusätzliche Sensoren aus und ermöglichen dadurch eine stufenlose Regelung im niedrigen Drehzahlbereich.
Bürstenlose DC-Motoren (BLDC) sind hocheffiziente Elektromotoren, die vor allem in hochwertigen Industrieanwendungen Verwendung finden. Diese Elektromotoren bieten höhere Effizienz und längere Lebensdauer als bürstenbehaftete DC-Motoren, arbeiten jedoch typischerweise bei höheren Drehzahlen und benötigen oft ein Getriebe für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen und hohem Drehmoment.
Bürstenbehaftete DC-Motoren sind die kostengünstigsten Elektromotoren und werden hauptsächlich in kostensensitiven Anwendungen eingesetzt, wo die Betriebszeiten begrenzt sind. Aufgrund des Bürstenverschleißes haben diese Elektromotoren eine begrenzte Lebensdauer und eignen sich daher nur für spezielle Anwendungsfälle.
Praxisbeispiel: Elektromotoren-Auswahl für eine Infusionspumpe
Ein anschauliches Beispiel für die praktische Auswahl von Elektromotoren liefert die Entwicklung einer Dosiereinheit für Infusionspumpen. Die Entwickler standen vor der Herausforderung, aus verschiedenen Elektromotoren denjenigen zu wählen, der gleichzeitig höchste Präzision, kompakte Bauweise und absolute Zuverlässigkeit gewährleistet.
Nach eingehender Analyse verschiedener Elektromotoren entschieden sich die Ingenieure für einen Schrittmotor. Diese Entscheidung basierte auf mehreren wichtigen Faktoren: Der Schrittmotor ermöglichte es, die Infusionspumpe leichter und kompakter als das Vorgängermodell zu bauen. Mit einem Zielgewicht von nur 1,4 Kilogramm sollte der Nachfolger 15 Prozent leichter werden als sein Vorgänger.
Der gewählte Schrittmotor aus der Kategorie der Elektromotoren garantiert eine exakte und stufenlose Regelung im Drehzahlbereich von 0 bis 500 Umdrehungen pro Minute – eine Präzision, die hohen Qualitätsansprüchen entspricht. Diese Eigenschaften machen Schrittmotoren als Elektromotoren besonders wertvoll für Anwendungen in der Medizintechnik und Präzisionsmechanik.
Warum nicht BLDC oder DC-Motor? Die Entscheidung bei Elektromotoren
Die Entwickler zogen durchaus auch andere Elektromotoren in Betracht. BLDC- Elektromotoren bieten grundsätzlich hohe Effizienz und lange Lebensdauer – Eigenschaften, die bei modernen Elektromotoren sehr geschätzt werden. Jedoch arbeiten BLDC-Elektromotoren typischerweise mit höheren Drehzahlen und stellen ein kleineres Drehmoment bereit.
Um eine vergleichbare Drehzahl und ein entsprechendes Drehmoment zu erreichen, müssten diese Elektromotoren mit einem Getriebe untersetzt werden. Obwohl sich BLDC-Elektromotoren durchaus mit speziellen Getrieben kombinieren lassen, ging es in dieser spezifischen Anwendung darum, das Gesamtgewicht zu reduzieren.
bürstenbehaftete DC-Elektromotoren wären zwar preislich attraktiver gewesen, hätten aber ebenfalls den Einsatz eines Getriebes erfordert. Zusätzlich sprach ein entscheidender Faktor gegen diese Elektromotoren: die Lebensdauer.
Lebensdauer: Ein kritisches Kriterium bei Elektromotoren
Die Lebensdauer war neben Drehzahl und Baugröße ein weiteres kritisches Kriterium bei der Auswahl der Elektromotoren. Infusionspumpen laufen oftmals mehrere Tage ununterbrochen im Klinikalltag, wo Ausfälle der Elektromotoren nicht nur kostspielig, sondern auch gefährlich sind.
Diese hohe Einsatzhäufigkeit schloss bürstenbehaftete DC-Elektromotoren von vornherein aus. Mit einer typischen Lebensdauer von nur wenigen tausend Stunden halten diese Elektromotoren nicht einmal für ein Jahr Dauerbetrieb. Der gewählte Schrittmotor bietet mit einer typischen Lebensdauer von über 20.000 Stunden eine deutlich bessere Alternative unter den Elektromotoren.
Getriebe und Kupplungen bei Elektromotoren
Bei der Auswahl von Elektromotoren müssen Entwickler auch die Auswirkungen von Getrieben und Kupplungen besonders sorgfältig berücksichtigen. Ein Getriebe bringt immer ein gewisses Spiel ins System – ein Aspekt, der bei präzisen Elektromotoren kritisch betrachtet wird.
Soll die Anwendung absolut spielfrei sein, wie es bei hochwertigen Elektromotoren erforderlich ist, führt kein Weg an einer getriebelosen Lösung vorbei. Wie viel Spiel ein Getriebe bei Elektromotoren in ein System bringt, hängt auch von dessen Bauart ab. Ein Schneckengetriebe ist beispielsweise deutlich spielärmer als ein Planetengetriebe.
Entscheidungshilfe für die Auswahl von Elektromotoren
Bei der Auswahl optimaler Elektromotoren für eine spezifische Anwendung sollten Entwickler eine systematische Bewertung anhand folgender Kriterien vornehmen: Präzision und Qualität, Lebensdauer und Wartung, Energieeffizienz sowie Total Cost of Ownership.
Schrittmotoren eignen sich als Elektromotoren besonders für Anwendungen, wo höchste Präzision gefordert ist. Für Dauerbetrieb sind Schrittmotoren oder BLDC- Elektromotoren oft die wirtschaftlichere Wahl. In umweltbewussten Märkten gewinnt der Energieverbrauch bei Elektromotoren zunehmend an Bedeutung.
Fazit: Systematische Auswahl von Elektromotoren
Die Auswahl optimaler Elektromotoren erfordert eine sorgfältige Abwägung aller relevanten Faktoren. Es gibt nicht die einen "besten" Elektromotoren, sondern nur die für die spezifische Anwendung optimalen Elektromotoren. Das Beispiel der Infusionspumpe zeigt, wie eine systematische Bewertung verschiedener Elektromotoren zu einer fundierten Entscheidung führt.
Bei der Auswahl von Elektromotoren sollten Entwickler nicht nur die offensichtlichen Parameter betrachten, sondern auch Faktoren wie Lebensdauer, Wartungsanforderungen und die Auswirkungen auf das Gesamtsystemdesign berücksichtigen.
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