Elektrowerkzeuge: Mit dem richtigen Motor Designkompromisse vermeiden

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Elektrowerkzeuge: Mit dem richtigen Motor Designkompromisse vermeiden

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Produktdesigner von Elektrowerkzeugen sehen sich häufig mit unvereinbaren betrieblichen Anforderungen konfrontiert. Wie sich Designkompromisse vermeiden lassen. Von Thomas Baile
Elektrowerkzeuge: Die Auswahl des richtigen Motors ist nicht einfach

Quelle: Portescap

  • Die Auswahl des richtigen Motors für Elektrowerkzeuge ist alles andere als einfach.
  • Es gilt das Betriebsprofil des Werkzeugs, die Nutzungsdauer, das Produktgewicht, Benutzerkomfort und Energieeffizienz zu berücksichtigen, besonders bei Werkzeugen mit Akkubetrieb.
  • Thomas Baile, Business Development Manager bei Portescap, erläutert die Leistungsanforderungen an Elektrowerkzeuge und erklärt, wie die jüngsten Fortschritte in der entsprechenden Motortechnologie dazu beitragen, typische Designkompromisse zu überwinden.

Produktdesigner sehen sich häufig mit unvereinbaren betrieblichen Anforderungen konfrontiert. Mit einem Betriebsprofil, das sich von anderen motorgetriebenen Anwendungen deutlich unterscheidet, sind Elektrowerkzeuge für die Industrie ein typisches Beispiel. Unabhängig davon, ob das Werkzeug einen Verbindungs-, Greif- oder Schneidvorgang ausführt, immer gibt es ein spezifisches Bewegungsprofil, das in zwei Phasen unterteilt ist.

Der Vorgang beginnt mit der Drehzahlphase, in der kaum Widerstand zu überwinden ist, beispielsweise wenn eine Schraube eingedreht wird oder sich die Backen eines Schneid- oder Greifwerkzeugs dem Werkstück nähern. In dieser Phase verkürzen Motoren mit einer höheren Leerlaufdrehzahl die Zykluszeit und steigern somit die Produktivität.

Es folgt die Belastungsphase, in der das Werkzeug die Kraft für den Vorgang des Anziehens, Schneidens oder Greifens aufbringen muss und ein ausreichendes Drehmoment an erster Stelle steht. Motoren, die ein hohes Spitzendrehmoment liefern, können eine größere Bandbreite an anspruchsvollen Arbeiten ausführen, ohne zu überhitzen.

Für industrielle Elektrowerkzeuge typische Arbeitszyklen, die sich ständig wiederholen. Bild: Portescap

In anspruchsvollen Industrieanwendungen wechseln sich diese Drehzahl- und Drehmomentzyklen ständig ab. Dabei erschwert die Vielfalt der anwendungsspezifischen Drehzahl-, Drehmoment- und Zeitprofile die Motorauswahl. Die bestmögliche Lösung ist zugleich diejenige mit den geringsten Verlusten. Dies gilt in besonderem Maße für akkubetriebene Werkzeuge, bei denen mit der begrenzten Leistung einer einzigen Akkuladung eine maximale Anzahl von Arbeitsgängen ermöglicht werden muss.

Angesichts der widersprüchlichen Anforderungen scheint eine Ideallösung ausgeschlossen. Die elektrische Leistung eines Motors wird durch den magnetischen Kreis bestimmt, wobei alle Auslegungsoptionen einen Kompromiss verlangen. Die erste Komponente, der Magnet, hat einen festen Wert. Die zweite Komponente, die Kupferwicklung, kann jedoch einfach modifiziert werden: Durch Veränderung des Drahtdurchmessers und der Windungszahl lassen sich die Drehmomentkonstante (kT) und der elektrische Widerstand (R) feinjustieren.

Widersprüchliche Anforderungen an Motoren für Elektrowerkzeuge

In der Drehzahlphase des Betriebsprofils des Industriewerkzeugs muss der Motor schnell und mit geringem Widerstand laufen. Die Drehzahl ist umso höher, je niedriger kT ist. In der Drehmomentphase wird hingegen erwartet, dass der Motor Spitzendrehmomente bei niedrigen Drehzahlen liefert. Je höher kT, desto höher ist das Abgabedrehmoment bei einer bestimmten Stromstärke. Hieraus ergibt sich ein Konflikt.

Man könnte erwägen, die Drehzahl durch einen niedrigen kT zu erhöhen und durch eine höhere Stromaufnahme zu kompensieren, um ein höheres Abgabedrehmoment zu erreichen. Allerdings würde eine höhere Stromaufnahme die Kupferverluste erhöhen, Wärme erzeugen und damit das maximal verfügbare Drehmoment einschränken. Eine zu starke Wärmeentwicklung schmälert den Anwenderkomfort, und zugleich beeinträchtigt eine höhere Stromaufnahme die Lebensdauer des Akkus.

Außerdem sind drehzahlabhängige Eisenverluste zu berücksichtigen. Die Wirbelstromverluste nehmen mit dem Quadrat der Drehzahl zu und erwärmen den Motor schon beim bloßen Drehen – sogar im Leerlauf.

Für industrielle Elektrowerkzeuge optimierte Motoren

Es gibt keine Patentlösung, und bis dato mussten Entwickler einen Leistungskompromiss in den verschiedenen Betriebsphasen und bei den breiteren Nutzungsanforderungen an das Werkzeug hinnehmen. Portescap hat nun eine neue Serie bürstenloser, nutenloser Elektromotoren entwickelt, die für die Verwendung in Industriewerkzeugen optimiert sind und den gewohnten Gestaltungskompromiss auf ein Minimum reduzieren.

Bürstenlose Motoren bringen gegenüber Motoren mit Bürsten gewisse Vorteile bei der Verwendung in Elektrowerkzeugen mit: Sie sind weniger anfällig für mechanischen Verschleiß (keine Bürstenreibung), können mit wesentlich höheren Drehzahlen betrieben werden (Produktivitätssteigerung durch kürzere Zykluszeiten) und tolerieren hohe Spitzenstromstärken (keine Bürsten) – beispielsweise bei Elektroschraubern in der Anziehphase. Hiervon profitiert die Lebensdauer des Werkzeugs.

Die bürstenlosen, nutenlosen Motoren der Ultra EC-Familie verfügen über eine wegweisende, patentierte U-Spulen-Technologie. Bildquelle: Portescap

Bürstenlose, nutenlose Motoren als Alternative

Im Hinblick auf die Leistungsdichte sind bürstenlose, nutenlose Motoren vorteilhafter als genutete, weil sie besser in der Lage sind, die Drehzahl unter Last zu halten. Zwar kommen genutete Motoren besser mit hohen Temperaturen zurecht, sodass mehr Drehmoment erzeugt werden kann. Für Handwerkzeuge in der Industrie ist dies jedoch nur von begrenztem Wert. Hitze ist der einschränkende Faktor bei handgeführten Elektrowerkzeugen: sie geht zulasten der Akkulaufzeit und beeinträchtigt den Komfort und die Sicherheit des Anwenders.

Die neuesten Motoren von Portescap sind eine wichtige Weiterentwicklung des bürstenlosen, nutenlosen Motors mit Vorteilen insbesondere für Elektrowerkzeuge in der Industrie. Die neuen, nuten- und bürstenlosen Ultra EC-Motoren verfügen über eine patentierte U-Spulen-Technologie. Im Gegensatz zur üblichen nutenlosen Schrägwicklung sind diese Miniaturmotoren parallel zur Motorachse gewickelt, wodurch die senkrechte Magnetkraft maximiert und durch die Reduzierung der Kupferverluste mehr Leistung erzeugt wird.

Die bürstenlosen, nutenlosen Ultra EC-Motoren sind parallel zur Motorachse gewickelt, wodurch die senkrechte Magnetkraft maximiert und durch die Reduzierung der Kupferverluste mehr Leistung erzeugt wird. Bildquelle: Portescap

Drehzahl und Drehmoment in kompakter Form optimiert

Die Eisenverluste bei hohen Drehzahlen sind in nutenlosen Motoren im Vergleich zu genuteten Ausführungen bereits stark reduziert: Mit der neuen, geraden Wicklung haben die Ultra EC-Motoren eine kürzere Rotorlänge, was zu einer geringeren Rotorträgheit und geringeren Eisenverlusten führt. Dieses innovative, wegweisende Design optimiert Drehzahl und Drehmoment in einem kompakten Format für die anspruchsvollsten Anwendungen.

Durch diese neuen Produkte will Portescap weitestgehend die Kompromisse eliminieren, die bislang bei der Auswahl von Motoren für industrielle Elektrowerkzeuge unvermeidlich waren. Verbinden, Greifen, Scheiden: alle Werkzeuge für diese Anwendungen profitieren durch höhere Leistung, geringeres Gewicht und bessere Energieeffizienz.

Bild oben: Bei der Auswahl des richtigen Motors für industrielle Elektrowerkzeuge sind das typische Betriebsprofil sowie die Nutzungsdauer, das Gewicht, der Anwenderkomfort und die Energieeffizienz zu berücksichtigen. Bildquelle: Portescap

Weitere Informationen: www.portescap.com

Erfahren Sie hier mehr über bürstenlose Servomotoren für autonome Fahrzeuge.

Lesen Sie auch: „Berechnungsprogramm: Software für zukünftige Ingenieure“

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