Die Wahl des richtigen Motors für Ihre OEM-Pumpenlösung

von Brad Blum und John Batts

Masterflex, Part of Avantor, ist bekannt für seine hochwertigen Masterflex^® und Ismatec^® Pumpentechnologien. Viele Erstausrüster wenden sich an das Masterflex OEM-Team, wenn sie eine maßgeschneiderte Pumpe benötigen, die in die von ihnen entwickelten Geräte integriert wird. Bei der Wahl einer Pumpenlösung ist nicht nur die Art der Pumpe, sondern auch der Motortyp zu berücksichtigen. Wenn Sie sich für einen Motor für Ihre OEM-Pumpenlösung entscheiden, sollten Sie die folgenden Überlegungen im Hinterkopf behalten.

Motortypen

Unter den vielen verschiedenen Motortypen, die heute verwendet werden, gibt es vier Motorentechnologien, die die meisten Anwendungen abdecken und jeweils ihre eigenen Vorteile und Einschränkungen haben, die Sie berücksichtigen sollten.

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren/Permanentmagnet-Gleichstrommotoren (PMDC)

Bürstenbehaftete Gleichstrom- und PMDC-Motoren sind aus vielen Gründen die bevorzugte Wahl für kostenbewusste Anwendungen. Die anfänglichen Betriebskosten sind im Allgemeinen niedrig. Ihr großer Funktionsumfang ist für viele verschiedene Anwendungen nützlich. Diese Motoren verfügen über interne Bürsten, die den elektrischen Strom in eine Motorbewegung umwandeln. Viele Motortechnologien erfordern die Verwendung eines Treibers, um den Betrieb des Motors zu steuern. Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren benötigen einen solchen Treiber nicht unbedingt – vor allem dann nicht, wenn die Anwendung den Betrieb des Motors mit nur einer festen Drehzahl erfordert. Bei Anwendungen, die einen Treiber für eine fortschrittlichere Steuerung erfordern, ist die Steuerung für einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor in der Regel preiswerter als ähnliche Steuerungen, die in anderen Motortechnologien verwendet werden.

Das Design eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors bedingt den Verschleiß der internen Bürsten, der von zwei Hauptfaktoren abhängt – der Motordrehzahl und der auf den Motor wirkenden Last. Je nach Art des verwendeten bürstenbehafteten Gleichstrommotors sind zwei Ergebnisse möglich:

• Bei Motoren mit nicht austauschbaren Bürsten liegt die Lebensdauer der Bürsten typischerweise zwischen 500 und 4.000 Stunden, nach denen Sie den Motor ausrangieren und ersetzen müssen – wobei die tatsächliche Lebensdauer von zahlreichen Faktoren abhängt.
• Bei Motoren mit austauschbaren Bürsten ist die Lebensdauer in der Regel länger. Bei diesen Motoren können die Bürsten ausgetauscht werden, was die anfänglichen Wartungskosten senkt. Aufgrund der Abnutzung der Kommutatorstangen (an denen die Bürsten im Motor reiben, um die elektrische Leistung auf den Motor zu übertragen), können Sie die Bürsten nur begrenzt oft austauschen, bevor die gesamte Motorbaugruppe ersetzt werden muss.

Abgesehen von der Abnutzung der Bürsten erfordert ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor auch die Verwendung eines Encoders, wenn die Motordrehzahl genau geregelt werden muss, was die Anschaffungskosten erhöht und einen der Hauptvorteile dieser Motortechnologie aufhebt.

Unabhängig davon, für welchen Typ von bürstenbehaftetem Gleichstrommotor Sie sich entscheiden, der zusätzliche Wartungsaufwand für diese Motoren erhöht die Gesamtbetriebskosten. Die Vorteile von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren kommen daher am besten bei Anwendungen zum Tragen, die nur sporadisch ausgeführt werden, wie z. B. beim Dispensieren.

Bürstenlose Gleichstrommotoren/BLDC-Motoren

Bürstenlose Gleichstrommotoren unterscheiden sich von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, da bei ihnen keine internen Bürsten verwendet werden, um den Strom zu transportieren, der diese Geräte antreibt. Bürstenlose Gleichstrommotoren zeichnen sich durch einen sehr geringen Verschleiß aus und erfordern während ihrer gesamten Lebensdauer praktisch keine Wartung, was einer der größten Vorteil dieses Motortyps ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei diesem Motor keine Bürsten zum Einsatz kommen, sodass während des Betriebs nur sehr wenig Feinstaub entsteht. Dies macht bürstenlose Gleichstrommotoren zu einer praktikablen Option für Medizinprodukte und ähnliche Anwendungen, die empfindlich auf Partikel und Schmutz reagieren.

Am häufigsten treten bei diesem Motortyp Fehler im Getriebe auf, das an der Vorderseite des Motors angebracht ist. Das Getriebe reduziert die Motordrehzahl und erhöht das an die Pumpe abgegebene Drehmoment. Die Zahnräder des Getriebes können mit der Zeit verschleißen.

Ohne Bürsten oder Kommutatorstangen in der Baugruppe benötigen bürstenlose Gleichstrommotoren eine Treiberplatine, die für die notwendige elektronische Kommutierung sorgt, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Leider sind die Treiberplatinen für bürstenlose Gleichstrommotoren in der Regel teurer als die Treiberplatinen für bürstenbehaftete Gleichstrommotoren. Dies erhöht die anfänglichen Kosten für die Arbeit mit diesen Motoren. Außerdem muss für eine genaue Drehzahlregelung ein Encoder verwendet werden, was die Anschaffungskosten weiter erhöht.

Aufgrund des Designs der bürstenlosen Gleichstrommotoren eignen sie sich perfekt für Anwendungen, bei denen eine lange Lebensdauer erforderlich ist oder bei denen sich der Motor an einem gefährlichen oder schwer zugänglichen Ort befindet. Bei diesen Anwendungen sind die Anschaffungskosten eines bürstenlosen Gleichstrommotors zwar höher, aber die Gesamtbetriebskosten über die Lebensdauer des Motors sind niedriger, was ihn zu einer soliden Option macht.

Schrittmotoren

Schrittmotoren sind eine Art bürstenloser Gleichstrommotor, bei denen die Motorbewegung jedoch auf andere Weise gesteuert wird. Ein Schrittmotor funktioniert, indem er eine volle Umdrehung in eine Anzahl gleichmäßiger Schritte unterteilt. Über die gesteuerten Impulse an die internen Elektromagneten kann der Motor einen bestimmten Punkt in seiner Drehung anfahren und dort halten. Ein Encoder oder ein ähnlicher Rückkopplungsmechanismus ist nicht erforderlich. Schrittmotoren bieten noch weitere Vorteile, wie z. B. eine lange Lebensdauer, wenig bis gar keinen Verschleiß, einen geringen Wartungsaufwand, ein hohes Startdrehmoment und Gesamtkosten, die in der Regel zwischen denen eines bürstenbehafteten und eines bürstenlosen Gleichstrommotors liegen.

Bei der Integration von Schrittmotoren in eine Anwendung müssen jedoch einige wesentliche Einschränkungen berücksichtigt werden. Eine Einschränkung ist die Änderung des Drehmoments, das der Motor bei einer Änderung der Geschwindigkeit liefern kann. Während das anfängliche Drehmoment hoch ist, ist das verfügbare Drehmoment bei höheren Drehzahlen deutlich geringer und kann zu Ungenauigkeiten bei der Drehung bis hin zum Abwürgen des Motors führen.

Darüber hinaus gibt es einige wichtige spürbare Effekte, die den Einsatz von Schrittmotoren einschränken können. Dazu gehören akustische Geräusche (sie können in einer hohen Tonlage „fiepen“), Wärmeentwicklung aufgrund der allgemeinen Ineffizienz (die eine Belüftung oder andere Kühlmethoden erforderlich machen kann) und mechanische Vibrationen.

Während Schrittmotoren für Anwendungen im Dauerbetrieb nicht die beste Wahl sind, eignen sich diese Motoren hervorragend für wiederholte und schnelle Dispensier-Anwendungen. Sie können einer starken Beanspruchung standhalten, ohne dass eine regelmäßige Wartung erforderlich ist, und bieten eine präzise inhärente Positions- und Geschwindigkeitskontrolle.

Spaltpol-AC-Motoren

Spaltpol-AC-Motoren sind eine weitere beliebte Motoroption für bestimmte Kunden und Anwendungen. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, wo Pumpen im Dauerbetrieb laufen und sowohl die Anschaffungs- als auch die Lebensdauerkosten eine Rolle spielen, können Spaltpol-AC-Motoren einige bedeutende Vorteile bieten:

• Niedrige Anschaffungskosten
• Niedrige Betriebskosten, da praktisch keine Wartung erforderlich ist
• Lange Lebensdauer (typischerweise nur durch die Lebensdauer des Getriebes begrenzt, wie bei bürstenlosen DC-Motoren)
• Betrieb mit AC-Strom
• Leiser Betrieb
• Keine elektromagnetischen Störungen

Doch auch die Einschränkungen der Spaltpol-AC-Motoren sollten berücksichtigt werden. Die größte Einschränkung ist, dass der Betrieb dieser Motoren nur mit fester Drehzahl möglich ist. Spaltpol-AC-Motoren sind für den Betrieb mit einer einzigen Geschwindigkeit ausgelegt, die durch das in die Konstruktion eingebaute Übersetzungsverhältnis bestimmt wird. Encoder und andere Rückkopplungsmechanismen können bei diesen Motoren nicht verwendet werden, um die richtige Drehzahl zu gewährleisten, was zu Ungenauigkeiten und Schwankungen während des Betriebs führen kann.

Darüber hinaus neigen diese Motoren zu erheblicher Wärmeentwicklung, ein Nebeneffekt, der durch einen Dauerbetrieb noch verstärkt wird. In der Regel muss ein Lüfter in das Design integriert werden, um die Kühlung der Motorbaugruppe in Echtzeit zu gewährleisten. Diese Motoren sind nicht so leistungsstark wie die anderen Motortypen.

In Anbetracht der Vorteile und Einschränkungen dieser Motoren wird allgemein empfohlen, Spaltpol-AC-Motoren für Anwendungen im Dauerbetrieb zu verwenden, die nicht sehr empfindlich auf geringfügige Schwankungen der Durchflussmenge reagieren. Für andere Anwendungen, insbesondere solche, bei denen es um das Dispensieren geht, ist es besser, einen der anderen Motortypen zu verwenden.

Zusammenfassung

Die Vorteile und Einschränkungen jedes dieser Motortypen werden in der folgenden Tabelle veranschaulicht:

Ausgezeichnet -------------------------> Schlecht

Jede der vier in diesem Artikel besprochenen Motoroptionen hat Vorteile und Einschränkungen. Bei der Auswahl des besten Motors für Ihre Anwendung sollte daher jeder Motortyp berücksichtigt werden.