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Die große Welt der DC-Motoren teilt sich in zwei grundlegende Kategorien: Bürstenmotoren und bürstenlose Motoren. Den Bürstenmotor gibt es quasi „schon immer“. Milliarden solcher Motoren sind im Einsatz und zeigen, dass sie gut funktionieren können. Allerdings weist dieser Motorentyp auch einige bekannte Nachteile auf. Dazu zählen der Bürstenverschleiß, elektrisches Rauschen, niedrige bis moderate Effizienzwerte, die Regelbarkeit und so einiges mehr.

Vor einigen Jahrzehnten erlangte der bürstenlose Motor mit seiner elektrischen Kommutierung Beliebtheit. Dies ergab sich im Wesentlichen aus zwei Entwicklungen: Starke Permanentmagnete und kostengünstige, effiziente Leistungsschalter (z. B. MOSFETs und IGBTs) für die Spulen. Sehr bald schien es so, als würden Bürstenmotoren billige Wegwerf-Antriebe, bei denen hohe Leistung und Zuverlässigkeit keine besondere Priorität hatten. Selbst die größeren Bürstenmotoren im Bereich von mehreren Hundert PS wurden durch bürstenlose Designs oder Drehstromantriebe ersetzt. Bei kleineren Motoren erfolgte in gleicher Weise eine Umstellung auf das Schrittmotor-Konzept. Irgendwann erschien der Punkt erreicht, an dem Bürstenmotoren nur noch für billige Wegwerfspielzeuge, Schaufensterauslagen und ähnliche Anwendungen von geringer Qualität zum Einsatz kamen.

Allerdings ist die Gleichung „Gleichstrommotor = Bürstenlos“ eine ziemlich kurzsichtige Herangehensweise. Mir wurde das durch die faszinierende Fallstudie im Artikel mit dem Titel „Every Drop Counts: Designing Motors to Optimize Home and Ambulatory Infusion Pumps“ (Jeder Tropfen zählt: Motoren zur Optimierung von Heim- und ambulanten Infusionspumpen designen) klar, veröffentlicht in der Januarausgabe des Medical Design Briefs von 2018. Darin führt ein Ingenieur bei Portescap eine Motorauswahlanalyse für eine Infusionspumpe durch. Diese Pumpe – Motor, Getriebe und Pumpmechanismus – muss klein, effizient, leise und zuverlässig sein, denn sie befindet sich an einer Stange in der Nähe des Benutzers oder wird vom Patienten getragen.

Der Autor analysiert, warum in diesem Fall ein Bürstenmotor die beste Wahl ist, wobei er auch die relativen Nachteile gegenüber dem bürstenlosen Motor einräumt. Er bestimmt zuerst natürlich die Durchflussraten-Spezifikation, die die Baugruppe erzielen muss. Daraus ergeben sich das Drehmoment und andere grundlegende Anforderungen für den Motor. Dann vergleicht er die Eigenschaften von Bürstenmotoren, bürstenlosen und Schrittmotoren, die diese Anforderungen erfüllen, in qualitativer Hinsicht. Er erörtert die verschiedenen Getriebeanordnungen für den Pumpmechanismus, die die unterschiedlichen Motortypen benötigen würden, denn dies ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl des Motors.

Mich hat beeindruckt, dass der Artikel nicht sagt, dass die bürstenlose Variante die beste im Hinblick auf ihre Effizienzeigenschaften, Kompaktheit, Lebensdauer, den Geräuschpegel und die Zuverlässigkeit ist. Anders ausgedrückt – wobei nicht überraschend – ist jede Designauswahl ein Abwägen von Kompromissen, die angesichts der verschiedenen Abhängigkeiten gemacht werden müssen. Dies ist eine Konstruktionsrealität, die in einer Betrachtung oder Erörterung der Designs allzu häufig schöngefärbt wird. Dabei ist dies der Kern des Konstruktionsprozesses.

Artikel wie dieser können erfahrenen und weniger erfahrenen Konstrukteuren vermitteln, dass mehr nötig ist, als sich ausschließlich darauf zu konzentrieren, verschiedene Optionen mit den Designprioritäten in einem bestimmten Fall abzugleichen. Er verdeutlicht zudem, wie wichtig eine klare Analyse ist, wenn es um die Entscheidung über die Prioritäten, ihre Gewichtung und ihren technischen Aufwand und die Kosten geht. In diesem Fall hatten die bürstenlosen Motoren und die Schrittmotoren Probleme in Bezug auf die Getriebe und Effizienz beim erforderlichen Geschwindigkeits- und Drehmomentniveau, wodurch sie die weniger erstrebenswerte Wahl waren – auch wenn der Bürstenmotor einige Schwächen im Hinblick auf die Lebensdauer aufwies.

Bei Entscheidungen zu Motoren oder anderen wichtigen Komponenten ist es nicht immer die richtige Wahl, auf die „offensichtliche“ Lösung zu setzen oder auf die konventionelle, gängige Meinung zu vertrauen. Sehen Sie sich aus einer etwas größeren Distanz die Zahlen, Kompromisse, Beziehungen und Vergleiche zwischen den Parametern und der Leistung in aller Ehrlichkeit an – genauso, wie es die Fallstudie für die Infusionspumpen-Anwendung vorgemacht hat.