Warum haben manche Gleichstrommotoren eine ungerade Anzahl von Kommutatorsegmenten?
Wenn man den ganzen Tag Datenblätter für bürstenbehaftete Gleichstrommotoren liest, erkennt man Muster.
Einer der Ruhigen: “Anzahl der Kommutator Segmente: 3”, “5 Segmente”, “7 Segmente”. Manchmal gerade. Ziemlich oft ungerade.
Für einen Einkäufer oder Konstrukteur ist diese kleine Zeile nicht nur eine Nebensächlichkeit. Sie sagt viel über die Drehmomentwelligkeit, das Rauschen, die Kosten, die Prüfstrategie und sogar darüber aus, welchem Anbieter Sie bei einer Präzisionsarbeit vertrauen sollten.
In diesem Artikel wird davon ausgegangen, dass Sie bereits wissen, was ein Kommutator tut. Kommen wir gleich dazu, warum die Segmentanzahl - insbesondere ein ungerade Segmentanzahl - taucht immer wieder bei seriösen Gleichstrommotorenkonstruktionen auf.
Inhaltsverzeichnis
1. Was die Segmentanzahl tatsächlich kontrolliert
Ein paar grundlegende Beziehungen, nur zur Erinnerung:
- Die Anzahl der Kommutatorsegmente entspricht normalerweise der Anzahl der Ankerspulen in einer klassischen Gleichstrommaschine.
- Mehr Segmente → mehr, kleinere Spulen → häufigere Kommutierungsvorgänge und gleichmäßigeres Drehmoment, bis zu dem Punkt, an dem Herstellungskosten und Toleranzen dominieren.
- Bei kleinen 2-poligen bürstenbehafteten Motoren ist ein 3-poliger Anker (3 Segmente) die gängigste Minimalausführung; sie vermeidet tote Punkte und ermöglicht es den Bürsten, zwei Segmente zu überbrücken, ohne dass ein harter Kurzschluss entsteht.
Sobald diese behoben sind, ungerade vs. gerade Die Anzahl der Segmente verändert die Geometrie des Kommutierungszeitpunkts im Verhältnis zu den Magnetpolen.
Diese Geometrie ist der Ausgangspunkt für das interessante Verhalten.
2. Ungerade Segmente: mehr Kommutierungspunkte pro Umdrehung
Nehmen Sie einen einfachen 2-poligen Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit zwei um 180° versetzten Bürsten.
- Mit einem sogar Anzahl der Kommutatorsegmente, das Muster, in dem sich die Spulen kommutieren, wiederholt sich bei jeder halben Umdrehung in einer sehr regelmäßigen Weise.
- Mit einem ungerade Anzahl der Segmente sind die “Kommutierungszeitpunkte” versetzt. Bei einer mechanischen Umdrehung erhält man effektiv doppelt so viele unterschiedliche Kommutierungspositionen im Vergleich zu einer ähnlichen Anordnung mit geraden Segmenten.
Die Spezialisten für kernlose Motoren bei maxon motor nennen dies sogar direkt: eine ungerade Anzahl von Kommutatorsegmenten verdoppelt die Anzahl der Kommutierungspunkte, und sie erklären, dass 5 Kommutatorsegmente sind viel besser als 6 für ihre kleinen Bürstenmotoren.
Warum ist das wichtig?
- Jedes Kommutierungsereignis ist eine kleine Störung von Drehmoment und Strom.
- Verteilen Sie diese Ereignisse dichter über die Umdrehung → jede Störung ist winkelmäßig kleiner.
- Ergebnis: geringere Drehmomentwelligkeit und gleichmäßigere Bewegung bei niedriger Drehzahl bei gleicher Motorgröße.
Wenn Sie also in einem Datenblatt eines kernlosen Motors “5 Segmente - 1 Polpaar” oder ähnliches lesen, ist das in der Regel eine bewusste Entscheidung, um Drehmomentwelligkeit nach unten drücken ohne Änderung des Magnetkreises.
Keine Magie. Nur Geometrie und Statistik.
3. Ungerade Segmente, Schlitze und Drehmomentrippel
Die Segmentzählung lebt nie allein. Es sitzt oben auf:
- Anzahl der Steckplätze
- Anzahl der Pole
- Art der Wicklung (überlappend, wellenförmig, einlaufend, usw.)
Ungerade Schlitz- und Segmentzahlen tauchen immer wieder in Drehmoment-Ripple-Papieren und Design-Notizen auf:
- Bei permanentmagnetischen Maschinen wählen die Konstrukteure oft ungerade Statorschlitzzahlen (oder eine Teilnut pro Pol), um regelmäßige Rastmomentmuster aufzubrechen und die Drehmomentwelligkeit zu verringern.
- Bei bürstenbehafteten DC-Wellenwicklungen kann eine ungerade Ankerschlitz- oder Segmentanzahl dazu beitragen, die gewünschte Kommutatorteilung beizubehalten und ungünstige Spulenabstände zu vermeiden.
Ihr bürstenbehafteter Gleichstrommotor ist natürlich kein BLDC-Motor, aber die Idee ist ähnlich:
Vermeiden Sie einfache gemeinsame Faktoren zwischen Nuten, Polen und Segmenten, wenn die Drehmomentwelligkeit gering sein soll.
Die Zählung ungerader Segmente ist eines der Werkzeuge dafür. Nicht das einzige, aber ein billiges und robustes.
Für Massenware-Motoren (Spielzeug, Ventilatoren, Pumpen) werden immer noch 3-Slot- und 3-Segment-Designs verwendet, weil sie einfach herzustellen und “gut genug” sind.
Sobald man sich mit Instrumenten, medizinischen Pumpen, Robotergelenken oder anderen Dingen befasst, die eine saubere Geschwindigkeitsregelung erfordern, treten 5-Segment- und andere “nicht-triviale” Kombinationen (oft mit ungeraden Steckplätzen) viel häufiger auf.
4. Warum nicht einfach weitere Segmente hinzufügen?
Wenn mehr (und ungerade) Segmente ein gleichmäßigeres Drehmoment ergeben, warum nicht 11, 13, 21...?
Zwei Gründe, die Sie als Käufer interessieren werden:
- Komplexität der Fertigung
- Mit zunehmender Segmentanzahl wird jedes Segment Enger.
- Die Haken oder Schweißpunkte werden kleiner; benachbarte Drahtenden sitzen enger zusammen und können leichter kurzgeschlossen oder beschädigt werden.
- Inspektion und Nacharbeit werden langsamer. Die Ausbeute sinkt.
- Toleranzstapel und Kosten
- In den Schulungsunterlagen von Maxon wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Segmente ab einem bestimmten Punkt keinen nennenswerten technischen Vorteil mehr bringen, aber die Produktionskosten in die Höhe treiben und zu Drehmomentschwankungen aufgrund von Wickeltoleranzen führen.
In der Praxis sieht man daher bei kleinen Bürstenmotoren oft eine einfache Leiter:
- Einstiegsstufe: 3 Segmente
- Bessere Glätte: 5 Segmente
- Spezial-/Großmaschinen: höhere Stückzahlen nur, wenn absolut gerechtfertigt
Ungewöhnlich, aber nicht übertrieben.
5. Was eine ungerade Segmentanzahl normalerweise signalisiert (für den Einkauf)
Aus Sicht der Beschaffung ist die Anzahl der Segmente ein schneller Hinweis darauf, wie der Motor ausgewählt wurde.
| Designaspekt | Niedrige/gerade Segmentanzahl (z. B. 3, 4, 6) | Höhere / ungerade Segmentanzahl (z. B. 5, 7) | Was das normalerweise für Sie bedeutet |
|---|---|---|---|
| Typischer Segmentabstand | Größeres Spielfeld, weniger Segmente | Kleineres Spielfeld, mehr Segmente | Präzisere Bearbeitung, mehr Aufmerksamkeit pro Einheit |
| Drehmomentrippel bei niedriger Drehzahl | Höher, insbesondere bei einfachen 3-Schlitz-Konstruktionen | Niedriger; mehr Kommutierungsereignisse pro Runde | Besser für langsame, lastabhängige Bewegungen |
| Strom- und Spannungsspitzen an Bürsten | Größere Schritte bei jeder Kommutierung | Kleinere Schritte, höhere effektive Kommutierungsfrequenz | Leichtere EMI-Filterung, weniger Bürstenerosion (bei sonst gleichen Bedingungen) |
| Empfindlichkeit gegenüber Wickeltoleranzen | Geringere Anzahl von Segmenten verbirgt einige Abweichungen | Empfindlicher gegenüber kleinen Ungleichgewichten zwischen den Spulen | Die Kontrolle der Lieferantenprozesse gewinnt an Bedeutung |
| Herstellungskosten | Geringere Anzahl von Teilen, einfachere Werkzeugausstattung | Höhere Teilezahl, engere Haken, detailliertere Prüfung | Erwarten Sie einen Preissprung, insbesondere bei Präzisionsmotoren |
| Typische Anwendungen | Spielzeug, Gebläse, einfache Pumpen, kostengünstige Getriebemotoren | Servoantriebe, medizinische Geräte, Robotik, Instrumente | Die Anzahl der Segmente stimmt mit Ihrem Marktsegment überein |
Die Tabelle ist keine feste Regel. Aber wenn Sie einen “Präzisions”-Motor sehen, der immer noch einen 3-Segment-Kommutator verwendet, ohne dass es dafür eine klare Begründung gibt, ist das ein rotes Tuch, das man hinterfragen sollte.
6. Wie dies mit den Ingenieuren und Einkäufern im selben Team zusammenhängt
Wenn Ihre Mechanik-, Elektro- und Einkaufsteams einen Gleichstrommotor in Augenschein nehmen, konzentrieren sie sich in der Regel auf Folgendes:
- Nennspannung, Drehzahl, Drehmoment
- Wirkungsgrad, Dauerstrom
- Lager, Bürstenmaterial, Getriebeoptionen
Die Anzahl der Kommutatorsegmente ist leicht zu übersehen. Das sollte nicht sein.
Einige praktische Muster:
- Positionierung bei niedriger Geschwindigkeit oder sehr leichten Lasten
- Denken Sie an: Spritzenpumpen, kleine Aktuatoren mit Getriebeuntersetzung, optische Mechanismen.
- Hier macht sich die Drehmomentwelligkeit direkt in Form von Drehzahlwelligkeit oder kleinen Positionssprüngen bemerkbar.
- Ein kernloser 5-Segment-Motor anstelle eines geschlitzten 3-Segment-Motors führt oft zu einem sichtbaren Qualitätssprung, ohne dass das übrige System wesentlich verändert wird.
- Hochgeschwindigkeitswerkzeuge und Ventilatoren
- Bei hohen Drehzahlen geht es vor allem um die Balance, die Lebensdauer der Bürsten und die EMI.
- Mehr Segmente verlagern das Kommutierungsrauschen auf eine höhere Frequenz und verringern die Energie pro Spike, was in der Regel leichter zu filtern ist.
- Aber der Kostendruck ist in der Regel hoch, so dass die Anzahl der Segmente gering ist, es sei denn, die Lärmgrenzwerte sind streng.
- Kundenspezifische Motoren oder Semi-Customs
- Wenn ein Anbieter “kundenspezifische Wicklungs- und Kommutatoroptionen” anbietet, ist die Segmentanzahl innerhalb einer Familie oft verhandelbar.
- Das ist Ihre Chance, eine kleine Kostensteigerung gegen ein gleichmäßigeres Drehmoment oder eine bessere EMV einzutauschen.
7. Fragen an Ihren Motorlieferanten zur Segmentanzahl
Wenn Sie Angebote auswerten, können Sie mit ein paar gezielten Fragen herausfinden, wie ernst ein Anbieter die Konstruktion seines Kommutators nimmt:
- “Warum haben Sie diese bestimmte Anzahl von Segmenten für diese Rahmengröße gewählt?” Eine gute Antwort bezieht sich auf die Anzahl der Steckplätze, die Anzahl der Pole, die angestrebte Drehmomentwelligkeit und die Kosten und nicht nur auf “das ist unser Standard”.
- “Bieten Sie denselben Motor mit einer anderen Segmentanzahl an?” Nützlich, wenn Sie versuchen, eine rauscharme oder sanftere Bewegung einzustellen, ohne die Grundfläche zu verändern.
- “Wie kontrolliert man die Hakenabstände und die Isolierung, wenn die Anzahl der Segmente steigt?” Sie testen die Prozesskontrolle und das Kurzschlussrisiko bei höheren Werten.
- “Welche Daten zur Drehmomentwelligkeit oder Kommutierungswellenform können Sie mitteilen?” Sogar eine einfache Oszilloskopspur von Kommutierungsspitzen verrät Ihnen, ob das Segmentdesign unter Kontrolle ist.
Sie brauchen nicht bei jeder Beschaffungsrunde eine umfassende Diskussion über die Motorenkonstruktion. Aber bei Projekten mit langer Lebensdauer macht sich diese Art der Befragung in der Regel bezahlt.
FAQ: Ungerade Kommutatorsegmente in DC-Motoren
Q1. Profitieren alle Gleichstrommotoren von einer ungeraden Anzahl von Kommutatorsegmenten?
Nein. Für viele kostengünstige Anwendungen ist ein 3-Segment- oder 4-Segment-Design völlig ausreichend. Ungerade Segmentzahlen sind am nützlichsten, wenn Drehmomentwelligkeit, Glätte bei niedrigen Drehzahlen oder EM-Rauschen eher eine Einschränkung als ein “Nice to have” darstellen.
Q2. Ist die Anzahl der Kommutatorsegmente immer gleich der Anzahl der Schlitze?
Nicht unbedingt. Die Anzahl der Kommutatorsegmente entspricht normalerweise der Anzahl der Ankerspulen, während die Anzahl der Nuten angibt, in wie vielen physischen Nuten die Spulen sitzen. Runden- und Wellenwicklungen können ungerade oder gebrochene Verhältnisse zwischen Nuten, Polen und Segmenten verwenden, um die Leistung zu optimieren und das Rastmoment zu reduzieren.
Q3. Warum verwenden viele kleine Gleichstrommotoren genau 3 Segmente?
Weil 3 die einfachste Anordnung ist, die einen toten Punkt vermeidet, die Bürsten zwei Segmente überbrücken lässt, ohne dass ein schädlicher Kurzschluss entsteht, und die Herstellung sehr billig ist. Aus diesem Grund dominiert sie bei Spielzeug und anderen kostengünstigen Massenprodukten.
Q4. Wenn 5 Segmente “besser als 6” sind, sollte ich dann die Anzahl der geraden Segmente ganz vermeiden?
Nicht automatisch. Die Aussage “5 ist besser als 6” gilt für eine bestimmte Familie kleiner kernloser Motoren, bei denen eine ungerade Segmentzahl die Kommutierungspunkte verdoppelt, ohne dass die Haken zu klein werden. Bei größeren Industriemaschinen hängt die optimale Segmentzahl von vielen anderen geometrischen und thermischen Zwängen ab.
Q5. Sollte die Anzahl der Segmente in meiner Motorspezifikation erscheinen?
Wenn Ihr Produkt empfindlich auf Drehmomentwelligkeit, hörbare Geräusche oder sehr niedrige Geschwindigkeiten reagiert, lohnt es sich, die Segmentanzahl zu spezifizieren oder zumindest zu diskutieren. Bei robusten Antrieben mit großer Leistung, bei denen das Getriebe und die Lastträgheit dominieren, kann es bei einem “Nice-to-know”-Parameter bleiben.
Q6. Wie wirkt sich die Segmentanzahl auf das Testen und die Qualitätssicherung aus?
Eine höhere Anzahl von Segmenten bedeutet mehr Messpunkte, wenn Sie den Widerstand zwischen den Segmenten, Hipot und die Isolierung prüfen. Automatisierte Prüfstände können dies bewältigen, aber das Design der Vorrichtungen muss mit der Verringerung der Segmentabstände Schritt halten.
