Motorsteuerung

Etwa 45 % des weltweiten Energieverbrauchs stammt vom Betrieb von Motoren (World Energy Council: Zusammenfassung der Umfrage von 2013). Sie sind Stromfresser, dennoch aber ein essenzieller Teil unseres täglichen Lebens: Von Anwendungen im privaten Bereich wie z. B. für Haushaltsgeräte und Werkzeuge über elektrische Autos und Züge im Transportsektor bis hin zu den größten industriellen Elektromotoren für Offshore-Ölplattformen und Dämme sind sie überall im Einsatz.

Seit der industriellen Revolution reduzieren wir Zeit- und Arbeitsaufwand, indem wir jedes Gerät, soweit irgendwie möglich und erdenklich, mit einem Motor ausstatten. Eine Flut von elektrisch betriebenen Geräten macht unser Leben im privaten Bereich einfacher und bequemer und unsere Arbeitsplätze effizienter und rentabler. Aber zu welchem Preis?

Stromfressende Motoren und Umwelt

In unserer modernen Welt, in der fossile Brennstoffe abnehmen und die Sorge um die Umwelt wächst, kommen auf Hersteller motorbetriebener Geräte schwierige Zeiten zu. Ohne großflächig verfügbare Alternativen aus erneuerbaren Energiequellen wird das Problem durch eine steigende Nachfrage aufgrund der zunehmenden wirtschaftlichen Entwicklung in Afrika, Asien und Südamerika, gekoppelt mit der sich rasant ausdehnenden globalen Bevölkerung zusätzlich verschärft.

Auf der ganzen Welt setzen Regierungen immer strengere gesetzliche Maßnahmen durch, um den Energieverbrauch für einige Jahre zu reduzieren. Darüber hinaus suchen mündige Endkunden heute ganz selbstverständlich nach Produkten mit geringem Energiebedarf. Das Gleiche gilt für Industriekunden, die in effizientere Ausrüstung investieren möchten.

Motoren miniaturisieren

Neben der Minimierung des Energieverbrauchs sehen sich Ingenieure auch der Herausforderung gegenüber, Motoren, Antriebe und deren Controller in immer kleinere Abmessungen zu pressen. Eine Waschmaschine mit einer größeren Trommelkapazität ist ein wertvolles Verkaufsargument für den Kunden, sie darf aber dennoch nicht die Standardabmessungen überschreiten. Die Verringerung des Platzes für elektronische Komponenten schafft Probleme bei der Wärmesteuerung, was eine zusätzliche Herausforderung für Ingenieure bedeutet. Ein Hinzufügen von Kühlungen erhöht nur den Energieverbrauch, also müssen die Motoren selbst mit verbesserter Effizienz entwickelt werden, damit von Grund auf weniger Wärme entsteht.

Open und Closed Loop Motoren

Ganz einfach und grundsätzlich erklärt ist ein Open-Loop-System ein System ohne Feedback. Die Drehzahl des Motors wird anhand eines Sollwerts gesteuert, der je nach Lastbedingung schwanken kann.

Ein Closed-Loop-System verwendet Feedback, indem Informationen an die Eingangsstufe zurückgeleitet werden, um das System entsprechend anzupassen. Wenn die Drehzahl auf einen Sollwert ausgerichtet ist und sich die Last ändert, ändert der Controller die Drehzahl wieder auf den Sollwert. Ein gutes Beispiel hierfür ist ein Positionsmotor eines Teleskops, der sich ständig anpasst, um die eingestellten Koordinaten zu verfolgen.

Motorsteuerung: Ausgewählte Produkte

Motorarten

Elektromotoren verwenden grundsätzlich Magnetismus, um Bewegung zu erzeugen. Es gibt zwei Hauptkategorien von Motoren: AC (Wechselstrom) und DC (Gleichstrom).

DC-Motoren wurden zuerst erfunden und sind nach wie vor die einfachste Art von Motoren. DC-Motoren werden angetrieben, indem Strom durch einen Leiter in einem Magnetfeld fließt und so Drehmoment erzeugt wird. Die Haupttypen von DC-Motoren sind DC-Bürstenmotoren und bürstenlose DC-Motoren. Bürstenmotoren erzeugen Strom, indem gegensätzliche Pole an eine Stromquelle angeschlossen werden und negative bzw. positive Ladungen an den Kommutator übertragen werden, wenn dieser physisch mit den Bürsten in Kontakt kommt.

Wie der Name bereits andeutet, besitzen bürstenlose Motoren keine Bürsten. Stattdessen sind Permanentmagnete an der Umfassung des Motors angebracht, wodurch die Notwendigkeit für Kommutatoren, Verbindungen und Bürsten entfällt. Bürstenmotoren sind einfacher und billiger, erfordern jedoch mehr Wartung, da die Bürsten regelmäßig gereinigt und ersetzt werden müssen. Bürstenlose Motoren wiederum sind meist präziser für Anwendungen, die eine kontrollierte Positionierung erfordern und benötigen darüber hinaus wenig oder gar keine Wartung. Der Preis hierfür ist jedoch, dass bürstenlose Motoren teurer in der Herstellung sind und einen Controller benötigen, der ebenso viel wie der Motor selbst kosten kann.

AC-Motoren können ebenfalls in zwei Haupttypen eingeteilt werden: Induktions- und Synchronmotoren; ein dritter Typ, lineare AC-Motoren, tritt weniger häufig auf.

Grundsätzlich bestehen AC-Motoren aus zwei Hauptteilen: Im äußeren Teil des Motors, dem Stator – der stationäre Teil des Motors – werden Spulen mit Wechselstrom versorgt und erzeugen ein rotierendes Magnetfeld. Im Inneren ist der Rotor mit einer Welle verbunden, die ein weiteres rotierendes Magnetfeld erzeugt. Linearmotoren sind rotierenden Motoren im Prinzip ähnlich, die beweglichen und stationären Teilen sind aber in einer geraden Linie angeordnet und erzeugen letztendlich anstelle der Rotation eine lineare Bewegung.

Induktionsmotoren werden als solche bezeichnet, weil Drehmoment durch elektromagnetische Induktion erzeugt wird. Diese werden allgemein auch als Käfigläufermotoren oder Schleifringläufermotoren bezeichnet.

Synchronmotoren unterscheiden sich insofern sich von Induktionsmotoren, als sie genau synchron mit der Netzfrequenz arbeiten. Im Gegensatz dazu benötigen Induktionsmotoren Induktionsstrom zur Erzeugung des Magnetfelds und müssen etwas „schleifen“ (langsamere Rotation), um tatsächlich Strom zu induzieren.

Worauf Sie bei der Auswahl eines Motors achten sollten

Bei der Auswahl eines Motors gibt es eine Reihe wichtiger Eigenschaften zu beachten: