Kleine Elektromotoren stecken in einer Vielzahl von Haushaltsgeräten, Werkzeugen und Computern sowie in modernen Autos, wo sie Hilfsaggregate wie Pumpen und Lüfter antreiben. Einzeln betrachtet verbraucht jeder dieser Motoren nicht viel Energie, in ihrer Summe bieten sie aber viel Einsparpotenzial. Das Forschungsteam des kürzlich erfolgreich beendeten „CD-Labors für Bürstenlose Antriebe für Pumpen- und Lüfteranwendungen“ unter der Leitung von Annette Mütze vom Institut für Elektrische Antriebe und Leistungselektronische Systeme der TU Graz hat dieses Potenzial nun weiter erschlossen: Durch innovatives Design, veränderte Regelungstechnik und Einsatz neuer Herstellungstechniken verbrauchen die hier weiterentwickelten bürstenlosen integrierten Antriebe weniger Strom, arbeiten leiser und werden leichter.
Schräge Klauen reduzieren Vibrationen
Größere Klauenpolmotoren kommen z.B. in Lichtanlagen von Fahrzeugen zum Einsatz. Ihr Einsatz als Kleinantrieb ist weniger bekannt. Annette Mützes Team hat die sogenannten „Rastmomente“ dieser Kleinantriebe durch Schrägen und Nuten der Klauen reduziert, was keine zusätzlichen Kosten verursacht. Das kurzzeitige Einrasten der Klauen beim Drehen des Motors und damit ungewollte Vibrationen werden auf diese Weise verringert. „So konnten wir eine wichtige Geräuschquelle um 70 Prozent reduzieren. Damit laufen die Antriebe deutlich ruhiger und viel leiser“, sagt Annette Mütze.
Vereinfachte Regelung reduziert Schaltverluste
Effizienzgewinne gelangen durch eine vereinfachte Regelung des Stromflusses. Üblicherweise regelt die Pulsweitenmodulation den Strom, mit dem der Motor eines Lüfters oder einer Pumpe gespeist wird. Damit der Strom in gewünschter Weise mit einem rechteckförmigen Verlauf fließt, bedarf es einer Vielzahl von Schaltvorgängen, was jedoch zusätzlichen Energieverbrauch verursacht. „Unsere Antriebe schalten wir pro gewünschtem Rechteck nur einmal ein und wieder aus“, sagt Annette Mütze. „Dadurch konnten wir den zusätzlichen Energieverbrauch durch die Schaltverluste enorm reduzieren.“ Insbesondere bei niedrigen Strömen haben diese Antriebe daher einen viel besseren Gesamtwirkungsgrad als solche, die über herkömmliche Pulsweitenmodulation gesteuert werden. Aufgrund der drastisch reduzierten Zahl von Schaltungen kommen die Platinen der Motoren zudem mit halb so vielen Kondensatoren aus, was die Kosten senkt.
3D-Druck von ferritbasiertem Material
Als dritte Innovation ist es gelungen, PCB-Motoren mit Ferritkernen zu realisieren. „PCB“ steht für „Printed Circuit Board“ und bedeutet im Fall der Motoren, dass die Wicklungen, die das für den Antrieb nötige Magnetfeld erzeugen, in Form von gedruckten Leiterplatten ausgeführt werden. Das erlaubt einen hohen Automatisierungsgrad in der Herstellung. Das Team von Annette Mütze hat die Leiterplatten mit 3D-gedruckten Ferritkernen ausgestattet und dadurch die Führung des magnetischen Flusses in den Motoren verbessert. Dies war die Voraussetzung für den Einsatz kostengünstigerer Magnete, die ebenfalls auf Ferrit basieren.
Als Unternehmenspartner war die MSG Mechatronic Systems GmbH am „CD-Labor für Bürstenlose Antriebe für Pumpen- und Lüfteranwendungen“ beteiligt.
Diese Forschung ist im Field of Expertise „Mobility & Production“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz.
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