Gleichstrommotoren gibt es in verschiedenen Ausführungen und Konfigurationen, die jeweils auf spezifische Anwendungen zugeschnitten sind und unterschiedliche Anforderungen an Drehzahlregelung, Drehmoment und Wirkungsgrad stellen. Ein besonderer Gleichstrommotortyp zeichnet sich durch einen hohlzylinder- oder becherförmigen Rotor aus – der sogenannte kernlose Gleichstrommotor oder eisenlose Gleichstrommotor.

Kernlose Gleichstrommotoren werden aufgrund ihrer leichten Bauweise, schnellen Reaktion und hohen Effizienz häufig in Präzisionsanwendungen wie der Robotik, der Luft- und Raumfahrt, medizinischen Geräten und Hochleistungsindustrieanlagen eingesetzt.

Dieser Artikel untersucht das Funktionsprinzip, die Vor- und Nachteile sowie die Anwendungen von kernlosen Gleichstrommotoren und vergleicht sie mit herkömmlichen bürstenbehafteten und bürstenlosen Gleichstrommotoren.

Grundlagen zu kernlosen Gleichstrommotoren

Ein kernloser Gleichstrommotor (auch eisenloser Gleichstrommotor genannt) ist ein bürstenbehafteter oder bürstenloser Motor mit einem Rotor aus einer hohlzylindrischen oder becherförmigen Wicklung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gleichstrommotoren mit eisenbehaftetem Rotor verzichten kernlose Motoren auf den Eisenkern und verwenden stattdessen eine selbsttragende Spulenstruktur.

Hauptmerkmale kernloser Gleichstrommotoren:

• Der Rotor ist hohl und zylindrisch, wobei die Wicklungen eine selbsttragende Struktur bilden.
• Der Rotor dreht sich um einen stationären Zentralmagneten.
• Der fehlende Eisenkern reduziert die Trägheit und macht ihn extrem reaktionsschnell auf Spannungsänderungen.
• Der Verzicht auf den Eisenkern reduziert Wirbelstromverluste und führt zu einem höheren Wirkungsgrad.

Funktionsprinzip von kernlosen Gleichstrommotoren

Der kernlose Gleichstrommotor arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie herkömmliche bürstenbehaftete oder bürstenlose Gleichstrommotoren und nutzt elektromagnetische Kräfte zur Erzeugung einer Drehbewegung.

Funktionsmechanismus:

Statorkonfiguration:

• Der Stator besteht aus kreisförmig angeordneten Permanentmagneten.
• Er erzeugt das für den Motorbetrieb erforderliche Magnetfeld.

Rotordesign:

• Der Rotor ist hohl oder becherförmig und besteht aus einer Spulenwicklung, die um den Stator herum aufgehängt ist.
• Fließt elektrischer Strom durch die Spule, erzeugt diese ein Magnetfeld.

Elektromagnetische Wechselwirkung:

• Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Stators und dem Strom in den Rotorwicklungen erzeugt ein Drehmoment.
• Das Fehlen eines Eisenkerns verhindert ein Rasten und ermöglicht eine gleichmäßige und präzise Bewegung.

Aufbau eines kernlosen Gleichstrommotors:

Die folgende Abbildung zeigt eine einfache schematische Darstellung eines kernlosen Gleichstrommotors im Vergleich zu einem herkömmlichen Gleichstrommotor.

Merkmal	Bürstenloser Kernlos-Gleichstrommotor	Konventioneller Gleichstrommotor
Rotoraufbau	Hohlzylinder/-becher	Fester Eisenkern
Wirkungsgrad	Hoch	Mittel
Drehzahlverhalten	Schnell	Langsamer
Rastmoment	Minimal	Vorhanden
Trägheit	Gering	Hoch
Wärmeabgabe	Besser	Mittel

 

Vergleich zwischen kernlosen Gleichstrommotoren und herkömmlichen Gleichstrommotoren

Kernlose Motoren werden häufig mit herkömmlichen bürstenbehafteten und bürstenlosen Gleichstrommotoren verglichen. Nachfolgend finden Sie einen detaillierten Vergleich:

Merkmal	Kernloser Gleichstrommotor	Bürsten-Gleichstrommotor	Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)
Rotorform	Hohlzylinder/-becher	Zylindrisch mit Eisenkern	Permanentmagnete
Wirkungsgrad	Hoch (geringer Wirbelstromverlust)	Mittel	Hoch
Reaktionszeit	Sehr schnell	Langsam	Schnell
Anlaufdrehmoment	Hoch	Mittel	Hoch
Rastmoment	Sehr gering	Vorhanden	Gering
Wärmeabgabe	Effizient	Mittel	Hoch
Wartung	Gering	Austausch der Bürsten erforderlich	Sehr gering
Geräusch & Vibration	Gering	Hoch	Gering
Anwendungen	Robotik, medizinische Geräte	Elektrowerkzeuge, Spielzeug	Drohnen, Elektrofahrzeuge, Präzisionsantriebe

 

Vorteile von kernlosen Gleichstrommotoren

Höhere Effizienz

• Wirbelstrombedingte Eisenverluste gibt es bei kernlosen Motoren nicht.
• Der Verzicht auf den Eisenkern reduziert Energieverluste und verbessert die Gesamteffizienz des Motors.

Schnelle Reaktion und hohe Beschleunigung

• Aufgrund ihrer geringen Trägheit beschleunigen und verzögern kernlose Motoren deutlich schneller als herkömmliche Motoren.
• Daher eignen sie sich ideal für Präzisionssteuerungsanwendungen.

Kein Rasteffekt

• Herkömmliche Gleichstrommotoren weisen aufgrund der magnetischen Wechselwirkung mit dem Eisenkern ein Rastmoment auf, eine ruckartige Bewegung.
• Gleichstrommotoren ermöglichen eine gleichmäßige Bewegung, die für hochpräzise Aufgaben entscheidend ist.

Kompakt und leicht

• Der hohlzylindrische Rotor reduziert das Gesamtgewicht.
• Diese Motoren eignen sich ideal für tragbare oder gewichtsempfindliche Anwendungen wie Drohnen und medizinische Geräte.

Reduzierte Wärmeentwicklung

• Da kein Eisenkern vorhanden ist, erfolgt die Wärmeableitung effektiver.
• Der Motor kann kühler laufen, was die Lebensdauer verlängert.

Nachteile von kernlosen Gleichstrommotoren

Kernlose Gleichstrommotoren bieten zwar zahlreiche Vorteile, haben aber auch einige Nachteile:

Höhere Herstellungskosten

• Der komplexe Wicklungsaufbau erhöht die Produktionskosten.
• Die Materialkosten (insbesondere für Hochleistungsmagnete) sind höher.

Geringere Drehmomentdichte

• Glockenankermotoren haben keinen Eisenkern, wodurch sie pro Baugröße nicht so viel Drehmoment erzeugen können.
• Sie sind nicht ideal für Anwendungen mit hoher Belastung.

Empfindliche Rotorstruktur

• Die hohlzylindrische Wicklung ist im Vergleich zu Eisenkernkonstruktionen zerbrechlich.
• Diese Motoren erfordern eine sorgfältige Handhabung, um Schäden zu vermeiden.

Begrenzte Leistungsabgabe

• Aufgrund ihrer kompakten Größe und ihres geringen Gewichts haben kernlose Motoren eine geringere Leistungsabgabe als herkömmliche Bürstenmotoren oder bürstenlose Motoren derselben Größe.

Anwendungen von kernlosen Gleichstrommotoren

Kernlose Gleichstrommotoren werden in Anwendungen eingesetzt, die Präzision, geringe Trägheit und hohe Reaktionsgeschwindigkeit erfordern.

Branche	Anwendung
Medizinische Geräte	Chirurgische Instrumente, Infusionspumpen, Prothesen
Luft- und Raumfahrt	Satelliten, UAV-Stellantriebe, präzise Bewegungssteuerung
Robotik	Servoantriebe, Roboterarme, Exoskelette
Industrielle Automatisierung	Hochgeschwindigkeitsantriebe, Scan-Köpfe
Unterhaltungselektronik	Drohnen, Gimbals, Hochleistungs-Audiogeräte

 

Fazit

Gleichstrommotoren mit hohlzylindrischem oder becherförmigem Rotor bieten einzigartige Vorteile wie hohen Wirkungsgrad, schnelle Beschleunigung, gleichmäßige Bewegung und minimale Rastmomente. Dank dieser Eigenschaften eignen sie sich ideal für Präzisionsanwendungen in der Robotik, Luft- und Raumfahrt und Medizin.

Allerdings sind sie auch mit höheren Kosten, geringerer Drehmomentdichte und einer empfindlichen Konstruktion verbunden, wodurch sie für Anwendungen mit hoher Belastung ungeeignet sind.

Bei der Auswahl eines Motors müssen Faktoren wie Wirkungsgrad, Drehmoment, Drehzahl und Kosten berücksichtigt werden, um zu entscheiden, ob ein kernloser Gleichstrommotor die richtige Wahl für Ihre Anwendung ist.