Bei der Auswahl eines Motors für Ihre Anwendung stoßen Sie auf zwei verschiedene Arten: AC- und DC-Motoren. Sie unterscheiden sich in Bezug auf Leistung, Effizienz, Zuverlässigkeit und Kosten. Die Wahl zwischen ihnen erfordert ein klares Verständnis der Anforderungen und Prioritäten Ihrer Anwendung.
Was bedeuten AC und DC?
Grundsätzlich besteht der Unterschied zwischen AC- und DC-Motoren darin, dass AC-Motoren mit Wechselstrom (AC) laufen und DC-Motoren mit Gleichstrom (DC) betrieben werden. Wechselstrom wechselt periodisch seine Richtung (zwischen positiv und negativ). So wird elektrische Energie über das Stromnetz an Haushalte und Unternehmen verteilt.
DC hingegen fließt nur in eine Richtung und diese Art von Strom ist in Batterien verfügbar. Es ist möglich, zwischen AC- und DC-Strom mit unterschiedlicher Effizienz zu konvertieren, abhängig von der verwendeten Methode.
Aber was bedeutet das wirklich für die Wahl des Motors für Ihre Anwendung? Nun, die Art des Stroms, der von einem Motor verwendet wird, beeinflusst seine Konstruktion, was wiederum verschiedene Auswirkungen darauf hat, wie gut er Ihren Anforderungen entspricht.
Motorbauweise
Die grundlegenden Komponenten eines Elektromotors sind der Stator und der Rotor, die durch ein elektromagnetisches Feld miteinander interagieren, um Rotation und Drehmoment zu erzeugen. Der Stator ist stationär (am Körper des Motors befestigt), während der Rotor der Teil des Motors ist, der sich dreht (einschließlich der Welle).
Bei einem AC-Motor wird Wechselstrom zum Stator geliefert. Obwohl der Stator sich nicht bewegt, erzeugt dieser Strom ein Magnetfeld, das sich entsprechend der Frequenz des Wechselstroms (wie schnell er zwischen positiv und negativ wechselt) dreht. Durch einen elektromagnetischen Prozess namens “Induktion” entsteht dadurch ein Magnetfeld im Rotor, und die Wechselwirkung dieser Magnetfelder erzeugt Rotation und Drehmoment.
Bei einem typischen Bürsten-Gleichstrommotor wird hingegen Gleichstrom über einen Kommutator an den sich drehenden Anker geliefert. Der Magnetfeld des Stators ist stationär und kann durch Permanentmagnete oder Elektromagnete geliefert werden. Während der Rotor sich dreht, wechselt der Kommutator periodisch die Polarität des elektromagnetischen Feldes. Der Anker wird von verschiedenen Elementen des Stators angezogen und abgestoßen, was zu einer kontinuierlichen Drehung führt.
Es gibt auch bürstenlose Gleichstrommotoren, bei denen die Permanentmagnete in den Rotor verschoben werden. Der Stator verfügt stattdessen über Elektromagnete, die die Polarität wechseln, um die kontinuierliche Rotation des Rotors zu erzeugen. Dies bedeutet, dass der Kommutator und die Bürsten, die einen großen Teil der Zuverlässigkeitsprobleme bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren verursachen, nicht erforderlich sind.
Leistung
Eine der Hauptunterschiede zwischen AC- und DC-Motoren ist die Geschwindigkeitsregelung. Ein AC-Motor läuft mit der Frequenz der AC-Versorgung und widersteht Änderungen der Geschwindigkeit, selbst wenn sich die Last ändert. Um die Geschwindigkeit des Motors zu ändern, ist es erforderlich, einen Frequenzumrichter (VFD) zu verwenden, der die AC-Versorgung in DC umwandelt und wieder mit einer anderen Frequenz zurückwandelt. VFDs haben jedoch inhärente Effizienzverluste, die Probleme wie Wellen- und Lagerströme verursachen können und die Lebensdauer des Motors verkürzen, wenn sie nicht ordnungsgemäß verwaltet werden. Darüber hinaus verliert ein AC-Motor bei höheren Geschwindigkeiten an Drehmoment.
Das bedeutet, dass AC-Motoren ideal für Situationen geeignet sind, in denen die Motorleistung langsam bis mittel ist und konstant bleibt, während sich die Last am Motor ändert. Dies erklärt, warum AC-Motoren in schweren Industrieanwendungen mit konstanter Geschwindigkeit allgegenwärtig sind.
DC-Motoren können hingegen einfach durch Änderung der Versorgungsspannung gesteuert werden. Sie liefern über ihren gesamten Drehzahlbereich ein konstantes Drehmoment, sind jedoch empfindlich gegenüber Änderungen der Last. Dies macht sie ideal für Situationen, in denen feine Geschwindigkeitsregelung erforderlich ist und die Last nicht signifikant variiert, wie zum Beispiel bei vielen Haushaltsgeräten oder in der Robotik.
Effizienz
AC-Motoren sind im Allgemeinen weniger effizient als DC-Motoren aus zwei Hauptgründen. Erstens verwenden sie Elektromagnete im Stator, die elektrische Energie verbrauchen, während DC-Motoren häufig Permanentmagnete verwenden. Zweitens, AC-Motoren erfahren ein Phänomen namens Schlupf, was der Unterschied zwischen der Geschwindigkeit des Rotors und der Geschwindigkeit des rotierenden Magnetfelds im Stator ist. Obwohl Schlupf wichtig ist, um Drehmoment zu erzeugen, steht es in direktem Zusammenhang mit den “Kupferverlusten”, die entstehen, wenn elektrische Ströme durch die Feldwicklungen des Motors fließen.
DC-Motoren haben auch einige Verluste in ihren Feldwicklungen. Gebürstete Versionen haben Verluste durch den Kontakt zwischen dem Kommutator und den Bürsten sowie mechanische Verluste in diesem Setup.
Kosten
DC-Motoren sind im Allgemeinen kostspieliger als AC-Motoren aufgrund ihrer höheren Herstellungskosten. Außerdem tragen die Skaleneffekte aufgrund des weit verbreiteten Einsatzes von AC-Induktionsmotoren zu ihrem relativ niedrigeren Preis bei. Dies bedeutet, dass AC-Motoren in den meisten groß angelegten industriellen Anwendungen verwendet werden, während DC-Motoren in kleineren Anwendungen zu finden sind, die eine feine Geschwindigkeitsregelung erfordern, wie z.B. in der Robotik.
Gebürstete DC-Motoren haben wesentlich höhere Wartungs- und Instandhaltungskosten aufgrund des Verschleißes vom Kommutator und den Bürsten. Bürstenlose DC-Motoren haben dieses Problem nicht, sind jedoch aufgrund ihrer komplexeren Konstruktion teurer als typische DC-Motoren.
Zuverlässigkeit und Wartung
Gebürstete DC-Motoren erfordern in der Regel weit mehr Wartung und haben eine kürzere Lebensdauer als AC-Motoren. Dies liegt daran, dass die Bürsten, die gegen den drehenden Kommutator drücken, einem Verschleiß ausgesetzt sind und regelmäßige Wartung und Austausch erfordern.
Bürstenlose DC-Motoren und AC-Induktionsmotoren hingegen haben keine Teile, die gegeneinander reiben, was bedeutet, dass sie leiser sind und weniger Wartung erfordern.
Zusammenfassung
Dieser Artikel hat Ihnen einen Überblick über die wichtigsten Unterschiede zwischen AC- und DC-Motoren gegeben und welcher von ihnen für Ihre Anwendung wahrscheinlich besser geeignet ist. Wie immer hängt der Motor, der die beste Leistung erbringt, von den spezifischen Merkmalen Ihrer Anwendung und den von Ihnen priorisierten Ergebnissen ab.
