Die Kosten für DC-Bürstenmotoren niedrig halten

Kostengünstige und einfach zu bedienende Bürsten-Gleichstrommotoren bieten die ideale Leistungsbalance zum richtigen Preis in Branchen wie Automobil, Luft- und Raumfahrt, Medizin und Industrie. Infolgedessen werden weltweit jährlich Milliarden hergestellt – eine Zahl, die in den nächsten 10 Jahren voraussichtlich noch steigen wird.

Steigende Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sowie überfüllte und „lautere“ elektronische Umgebungen drohen jedoch das Gleichgewicht zu stören, indem sie die Kosten dieser Low-End-Lösungen auf ein Niveau treiben, das mit teureren bürstenlosen Alternativen vergleichbar ist.

Das Problem ist die elektromagnetische Interferenz (EMI), die von den Bürsten erzeugt wird, wenn sie am Kommutator reiben – ein inhärenter Nachteil des Designs. Um dem erzeugten Lärm entgegenzuwirken, ist eine Kombination aus Abschirm- und Filterkomponenten erforderlich. Dies treibt nicht nur die Kosten in die Höhe, sondern viele auf dem Markt erhältliche EMI/RF-Filterlösungen für Bürsten-Gleichstrommotoren sind auch nicht zufriedenstellend, um die heutigen höheren EMV-Anforderungen zu erfüllen.

„Viele EMI-Filterlösungen filtern nicht alle Formen von erzeugtem Rauschen heraus und viele können höhere Gleichströme nicht bewältigen, ohne dass die Kosten entsprechend steigen“, erklärt Christophe Cambrelin von Johanson Dielectrics, einem Unternehmen, das verschiedene mehrschichtige Keramik herstellt Kondensatoren und EMI-Filter.

Um diese Bedenken auszuräumen, bieten Unternehmen wie Johanson Dielectrics jetzt fortschrittlichere EMI-Filterlösungen an, die die Kosten von Bürsten-Gleichstrommotoren leicht erhöhen und gleichzeitig die sich entwickelnden EMV-Anforderungen erfüllen.

Wenn elektronische Geräte starke elektromagnetische Wellen empfangen, können unerwünschte elektrische Ströme im Stromkreis induziert werden und den beabsichtigten Betrieb beeinträchtigen. EMI kann sogar physische Schäden an Betriebsgeräten verursachen.

Verschärft wird das Problem durch eine Erhöhung der Betriebsfrequenz des Schaltkreises, Rauschen höherer Frequenzen, das den betroffenen Frequenzbereich erweitert, und die Miniaturisierung elektronischer Geräte, die den Abstand zwischen Quelle und Opfer verringert. Darüber hinaus sind viele elektronische Geräte selbst bei geringerem Energieverbrauch leichter von Störungen betroffen, da die heutigen Schaltkreise mit niedrigeren Spannungen arbeiten.

Daher greifen Branchen wie die Automobilbranche zunehmend auf bürstenlose Gleichstrommotoren zurück. Bei diesen Motoren erfolgt die Kommutierung elektronisch. Dadurch entsteht deutlich weniger Lärm (kein Lärm durch mechanische Kommutierung), aber Komplexität und Kosten der Umsetzung steigen.

Wenn OEMs also die Wahl hätten, würden sie Lösungen bevorzugen, die den relativ niedrigen Preis der Bürsten-Gleichstrommotoren angesichts der betreffenden Stückzahlen beibehalten würden.

EMI/RFI-Störungen werden entweder abgestrahlt oder in einem weiten Frequenzbereich von mehreren hundert Hertz bis mehreren Gigahertz übertragen. Abgestrahltes Rauschen entsteht, wenn an die Verkabelung unterschiedlich hohe Spannungen angelegt werden. Um die Strahlung im Motorgehäuse einzudämmen, sollten die Hersteller von Bürsten-Gleichstrommotoren verschiedene Vorsichtsmaßnahmen treffen. Am wichtigsten ist das Material des Motorgehäuses, das aus Metall sein sollte, sowie einer Metallkappe (nicht aus Kunststoff) darauf. Wenn die Kappe aus Kunststoff besteht, muss der Benutzer sie mit einer Metallabschirmung (z. B. einer metallisierten Leiterplatte) abdecken.

Bei der Leitung von EMI/RFI breitet sich das erzeugte Rauschen entlang der Stromleitungen aus und wird dann abgestrahlt. Eine Abschirmung ist gegen leitungsgebundenes Rauschen wirkungslos, daher ist eine Filterung mit einem separaten Gerät erforderlich.

Herkömmliche Gleichtaktfilteransätze umfassen Tiefpassfilter, die aus Kondensatoren bestehen, die Signale mit einer Frequenz unter einer ausgewählten Grenzfrequenz durchlassen und Signale mit Frequenzen über der Grenzfrequenz dämpfen.

Zu den Optionen für OEMs gehören Differenzialkondensatoren mit zwei Kondensatoren, Dreikondensatoren (ein X-Kondensator und zwei Y-Kondensatoren), Durchführungsfilter, Gleichtaktdrosseln, LC-Filter oder Kombinationen davon.

Um den steigenden EMV-Anforderungen gerecht zu werden, reichen kostengünstige Lösungen wie Differenzialfilter mit zwei Kondensatoren jedoch nicht aus, da nicht angepasste Kondensatoren eine unterschiedliche Filterung jeder Leitung und damit eine Modusumwandlung bewirken (d. h. ein Teil des Gleichtaktrauschens wird in Gegentaktrauschen umgewandelt). , und umgekehrt). Herkömmliche Drei-Kondensator-Filter sind ausreichend, sofern die EMV-Anforderungen nur bei relativ niedrigen Frequenzen gelten (dh <150 MHz, wie z. B. AM/FM-Radios in der Automobilindustrie).

Obwohl sie eine gute Filterleistung bieten, sind Drei-Kondensator-Filter bei der Filterung von Rauschen in Telekommunikationsfrequenzbändern im Allgemeinen unwirksam. Andere Lösungen, wie etwa Durchführungsfilter, bieten eine gute Unterdrückung über ein breites Frequenzband, werden jedoch teuer, wenn die Stromleitung einen Strom von mehreren Ampere führen muss. Darüber hinaus sind Durchführungsfilter Single-Ended-Geräte und können daher Modusumwandlungen bewirken (wie Two-Cap-Filter). „Wenn ein hoher Gleichstrom erforderlich ist, benötigen Sie unabhängig vom erzeugten Lärm einen sehr großen, teuren Durchführungsfilter, der den Bürsten-Gleichstrommotor als kostengünstige Lösung überflüssig macht“, sagt Cambrelin. Bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren ist eine Gleichtaktdrossel eine mögliche Alternative zum Tiefpassfilter.

Wenn ein Gleichtaktsignal (gleicher Wechselstrom) durch jede Wicklung der Gleichtaktdrossel fließt, summiert sich das von jeder Wicklung ausgehende Magnetfeld und daher erhöht sich die Impedanz erheblich. Wenn andererseits ein Differenzsignal (entgegengesetzter Wechselstrom) durch jede Wicklung fließt, subtrahieren sich die von jeder Wicklung kommenden Magnetfelder gegenseitig und daher nimmt die Impedanz erheblich ab.

Deshalb blockieren Gleichtaktdrosseln Gleichtaktrauschen, lassen aber ein Differenzsignal durch. Ähnlich wie bei Durchgangsfiltern ist eine größere und teurere gemeinsame Drossel erforderlich, um einen erheblichen Strom (dh mehr als 1 A effektiv) führen zu können. Trotz der Beliebtheit von Gleichtaktdrosseln könnten monolithische EMI-Filter eine bessere Alternative sein.

Im Vergleich zu Gleichtaktdrosseln bieten monolithische EMI-Filter eine deutlich bessere RFI-Unterdrückung in einem wesentlich kleineren Gehäuse. Ein monolithischer EMI-Filter unterdrückt außerdem ein viel breiteres Frequenzband und wird nicht durch die erforderliche Gleichstrommenge beeinflusst, da er im Shunt (zwischen Leitungen und „Masse“) montiert ist.

EMI-Filter kombinieren zwei symmetrische Shunt-Kondensatoren in einem einzigen Gehäuse mit gegenseitiger Induktivitätsaufhebung und Abschirmwirkung. Diese Filter von Johanson Dielectrics nutzen zwei separate elektrische Pfade innerhalb eines einzigen Geräts, das an vier externe Anschlüsse angeschlossen ist.

Wie andere EMI-Filter dämpfen monolithische EMI-Filter die gesamte Energie über einer bestimmten Grenzfrequenz und lassen nur die erforderliche Signalenergie durch, während sie unerwünschtes Rauschen zur „Erde“ umleiten. Der Schlüssel liegt jedoch in der sehr niedrigen Induktivität und der angepassten Impedanz. Bei monolithischen EMI-Filtern sind die Anschlüsse intern mit einer gemeinsamen Referenzelektrode (Abschirmung) innerhalb des Geräts verbunden, und die Platten sind durch die Referenzelektrode getrennt.

Monolithische EMI-Filter können von 50 kHz bis 6 GHz wirksam sein und filtern sowohl Gleichtakt- als auch Gegentaktrauschen. Auch die Gleichstrommenge des Filters ist nahezu unbegrenzt, da er so konzipiert ist, dass er parallel zum Motor arbeitet und kein Gleichstrom durch ihn fließt.

Unabhängig vom Filtertyp wird häufig übersehen, dass viele Bürsten-Gleichstrommotoren über ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal gesteuert werden. Beim PWM-Signal wird die Spannung mit einer sehr schnellen Geschwindigkeit zwischen einigen Kilohertz (kHz) und mehreren zehn kHz ein- und ausgeschaltet. Die gelieferte Gesamtleistung basiert auf der Zeit, in der der Schalter eingeschaltet ist, im Vergleich zu den Ausschaltperioden. Das PWM-Signal eignet sich besonders für Motoren, da die Zeitkonstante eines Motors im Vergleich zur Periode eines PWM-Signals sehr lang ist. Aus diesem Grund verhält sich der Bürsten-Gleichstrommotor so, als ob der Durchschnitt des PWM-Signals an die Stromleitungen angelegt würde.

„Wenn Sie den Motor zum ersten Mal im Labor testen, funktioniert der EMI-Filter vielleicht gut, aber alles ändert sich, wenn Sie ein PWM-Signal an die Stromleitungen anlegen“, erklärt Cambrelin. „Sie möchten das Rauschen herausfiltern, aber nicht [unbeabsichtigt] das PWM-Signal herausfiltern. Wenn Sie nicht den richtigen Filter wählen, startet der Motor möglicherweise nicht einmal.“ Dies kann für Benutzer, die nicht mit der Entwicklung von Differential-LC-Filtern vertraut sind, ein Problem darstellen.

Bei monolithischen EMI-Filtern sind keine besonderen Filterkenntnisse erforderlich: Die Reaktion des Filters (dh die Unterdrückung von Gleichtaktrauschen gegenüber der Frequenz) wird direkt vom Hersteller bereitgestellt. Laut Cambrelin arbeitet Johanson Dielectrics auch an einer integrierten Lösung für Bürsten-Gleichstrommotoren, die es ermöglicht, den monolithischen EMI-Filter direkt am Gehäuse zu montieren, ohne dass eine Leiterplatte hergestellt werden muss.

„EMI-Probleme werden mit den höheren Frequenzen von Bluetooth-, Wi-Fi- und jetzt auch 5G-Geräten immer mehr zum Problem. Das bedeutet, dass EMI-Filter breitere Frequenzbereiche verarbeiten und gleichzeitig die entsprechenden Signale durchlassen müssen. Das hilft auch.“ OEMs erfüllen die in den meisten Ländern geltenden gesetzlichen Standards, die die Menge des emittierten Lärms begrenzen.“