Bei den technischen Daten eines OEM-BLDC-Motors sollte die Nenndrehzahl der maßgebliche Wert sein, wenn es auf die Dauerleistung bei einem definierten Drehmoment ankommt. Die Leerlaufdrehzahl beschreibt den Betrieb ohne externe Wellenbelastung und sagt nichts über die Leistung unter Last aus.

Ingenieure sollten die Spannung, die Reglereinstellungen, die Temperatur, den Einschaltdauerfaktor und die Messmethode hinter jedem Drehzahlwert angeben, bevor sie eine Motorzeichnung oder Kaufspezifikation genehmigen.

Nenndrehzahl und Leerlaufdrehzahl beschreiben unterschiedliche Betriebsbedingungen

Beide Werte werden in Umdrehungen pro Minute (U/min) angegeben, beantworten jedoch unterschiedliche technische Fragen. Ein aussagekräftiges Datenblatt gibt die Betriebsbedingungen an, anstatt einen der beiden Werte als isolierte Leistungsangabe darzustellen.

Die Nenndrehzahl definiert einen bestimmten Betriebspunkt

Die Nenndrehzahl ist die Wellendrehzahl, die einem angegebenen Betriebspunkt zugeordnet ist, der in der Regel Drehmoment, Spannung und Betriebsbedingungen umfasst. Für den Dauerbetrieb muss der angegebene Punkt zudem die geltenden thermischen Grenzwerte einhalten.

Ein Motor, der als bei einer bestimmten Nenndrehzahl betreibbar beschrieben wird, ist nicht unbedingt in der Lage, diese Drehzahl bei jedem Drehmoment aufrechtzuerhalten. Der Nennwert ist nur in Verbindung mit der entsprechenden Last und den entsprechenden Betriebsbedingungen aussagekräftig.

Der Begriff „Nennwert“ sollte zudem an eine vom Lieferanten definierte Grundlage geknüpft sein. In einigen Dokumenten wird er für einen nominalen Leistungspunkt verwendet; in anderen ist eine Grenze für den Dauerbetrieb gemeint. Klären Sie die Definition, bevor Sie eine Kaufanforderung formulieren.

Zur Veranschaulichung: Eine Welle, die bei 3.000 U/min 0,08 N·m liefert, erzeugt eine mechanische Leistung von etwa 25,1 W. Die Gleichung lautet P = 2πnT/60, wobei P für Watt, n für Umdrehungen pro Minute und T für N·m steht. Dies sind angenommen Werte, keine Produktspezifikationen.

Die Leerlaufdrehzahl beschreibt den Betrieb ohne externe Wellenbelastung

Die Leerlaufdrehzahl wird gemessen, ohne dass eine beabsichtigte externe Drehmomentanforderung an der Welle vorliegt. Der Motor liefert dennoch genügend Drehmoment, um Lagerreibung, Luftwiderstand und andere interne mechanische Verluste zu überwinden.

Da keine externe Belastung vorliegt, kann die Leerlaufdrehzahl nützlich sein, um ungewöhnliches Motorverhalten zu erkennen oder kontrollierte Proben zu vergleichen. Sie kann jedoch nicht die Drehzahl unter dem Betriebsdrehmoment der Anwendung überprüfen.

Ein Leerlaufwert muss erkennen lassen, ob der Antrieb die maximal verfügbare Drehzahl vorgegeben hat oder auf einen niedrigeren Sollwert geregelt wurde. Andernfalls könnten zwei identische Motoren allein aufgrund der Reglereinstellungen unterschiedliche Drehzahlwerte anzeigen.

Inwiefern unterscheiden sich diese Werte von der Höchstdrehzahl?

Die maximal zulässige Drehzahl ist eine Betriebsgrenze und kein anderer Begriff für die Leerlaufdrehzahl. Sie kann die Unversehrtheit des Rotors, die Lager, die Kommutierungsfähigkeit, Vibrationen oder andere konstruktive Einschränkungen widerspiegeln.

Ein Regler kann die Leerlaufdrehzahl unterhalb dieser Grenze begrenzen. Umgekehrt kann der externe Antrieb eines Motors Überdrehzahlzustände erzeugen, die bei einem normalen Leerlauf-Test niemals erreicht werden.

Parameter	Bedeutung	Zu dokumentierender Zustand	Verwendung durch den Erstausrüster
Nenndrehzahl	Drehzahl bei einem angegebenen Drehmoment und Betriebspunkt	Drehmoment, Spannung, Betriebsart, Temperatur, Kühlung	Anforderungen an die Leistung unter Last
Leerlaufdrehzahl	Drehzahl ohne vorgesehene externe Wellenbelastung	Spannung, Betriebsmodus, Temperatur	Charakterisierung und Referenzprüfung
Maximal zulässige Drehzahl	Obere Betriebsgrenze	Begrenzungsgrundlage und zulässige Dauer	Überdrehzahlschutz und Betriebsgrenzen

Welchen Drehzahlwert für BLDC-Motoren sollten OEM-Ingenieure festlegen?

Verwenden Sie die Nenndrehzahl für den Dauerbetrieb unter Last

Wenn die Anlage unter Drehmoment konstant betrieben werden muss, geben Sie die erforderliche Drehzahl bei diesem Drehmoment an. Berücksichtigen Sie dabei die Versorgungsspannung, die Umgebungsbedingungen, die Montageart, die Kühlung sowie die Dauer, über die dieser Wert aufrechterhalten werden muss.

Verwechseln Sie die im Katalog angegebene Nenndrehzahl nicht mit einem garantierten Mindestwert unter allen Bedingungen. Eine Beschaffungsspezifikation erfordert einen expliziten zulässigen Bereich und ein entsprechendes Prüfverfahren.

Betrachten Sie diesen hypothetischen Abnahmetest: Legen Sie ein Drehmoment von 0,08 N·m an, lassen Sie die Baugruppe den vereinbarten thermischen Zustand erreichen und prüfen Sie, ob die Drehzahl bei der angegebenen Versorgungsspannung bei mindestens 2.800 U/min bleibt. Die Zahlen definieren einen hypothetischen Abnahmepunkt, nicht eine Nennleistung von Gian Transmission.

Wenn die Anwendung zwischen verschiedenen Lasten wechselt, definieren Sie, welcher Zustand kontinuierlich und welcher intermittierend ist. Ein akzeptabler kurzzeitiger Betriebspunkt ist möglicherweise thermisch nicht über eine lange Produktionsschicht hinweg aufrechterhaltbar.

Verwenden Sie die Leerlaufdrehzahl als sekundäre Referenz

Die Leerlaufdrehzahl sollte erfasst werden, wenn bei der Wareneingangskontrolle eine schnelle, wiederholbare Referenz benötigt wird, insbesondere in Verbindung mit dem Leerlaufstrom. Solche Prüfungen können Veränderungen aufzeigen, diagnostizieren jedoch nicht jeden Fehler.

Unterschiedliche Wicklungskonfigurationen können ähnliche Leerlaufdrehzahlen erzeugen, sich unter Drehmomentbelastung jedoch unterschiedlich verhalten. Selbst eine genau abgestimmte Leerlaufmessung kann keine Aussage über die Dauer-Drehmomentfähigkeit, die Wicklungstemperatur oder die Wellenleistung treffen.

Legen Sie die Leerlauf-Prüfbedingungen getrennt von den Abnahmeanforderungen unter Last fest. Wenn die Leerlaufdrehzahl als Ausscheidungsgrenze verwendet wird, dokumentieren Sie, was geschieht, wenn ein Prüfling außerhalb dieses Bereichs liegt.

Legen Sie mehrere Betriebspunkte fest, wenn die Last variiert

Ein einzelner Nennpunkt reicht nicht aus, wenn ein Antrieb ein hohes Anlaufdrehmoment, ein variables Laufdrehmoment oder eine Mindestdrehzahl bei reduzierter Versorgungsspannung erfordert. Definieren Sie stattdessen den Anwendungsbereich.

• Dauerbetriebspunkt: Geben Sie das Betriebsdrehmoment, die Mindestdrehzahl, den Spannungsbereich, die Einschaltdauer und die Kühlbedingungen an.
• Intermittierender Betriebspunkt: Definieren Sie das Drehmoment, die Mindestdrehzahl, die zulässige Dauer sowie die Erholungs- oder Ruhebedingungen.
• Anlaufbedingung: Geben Sie das erforderliche Anfahrdrehmoment sowie die zulässige Beschleunigung oder Anlaufzeit an.
• Drehzahlregelung: Geben Sie die zulässige Schwankung an, wenn sich die Last innerhalb des erforderlichen Bereichs ändert.

Eine Drehmoment-Drehzahl-Kurve hilft beim Vergleich geeigneter Motoren innerhalb dieses Bereichs. Klären Sie, ob die Kurve den Dauerbetrieb, Kurzzeitversuche oder modellierte Leistungsdaten darstellt, bevor Sie sie für die Auswahl heranziehen.

Bei einer ventilatorähnlichen Last kann das erforderliche Drehmoment mit der Drehzahl ansteigen; bei einem Positioniermechanismus kann das höchste Drehmoment während der Beschleunigung auftreten. Verwenden Sie das tatsächliche Lastprofil, anstatt einen Motor anhand der höchsten angegebenen Drehzahl auszuwählen.

Warum können Nenndrehzahl und Leerlaufdrehzahl voneinander abweichen?

Drehmomentbedarf, Gegen-EMK und verfügbare Spannung

Mit steigender Rotordrehzahl nimmt die Gegen-EMK zu. Der Antrieb muss eine ausreichende Versorgungsspannung bereitstellen, um die Gegen-EMK sowie ohmsche und andere elektrische Spannungsabfälle zu überwinden und gleichzeitig das erforderliche Drehmoment zu erzeugen.

In einem vereinfachten Betriebsbereich erfordert ein höheres Drehmoment im Allgemeinen mehr Strom. Der Wicklungswiderstand verbraucht dann mehr Spannungsreserve, sodass die verfügbare Drehzahl bei erhöhter Last sinken kann, wenn die Versorgungs- und Regelgrenzen fest bleiben.

Diese Tendenz ist keine allgemeingültige Formel für den Drehzahlabfall. Wicklungseigenschaften, Kommutierungsstrategie, Stromregelung und Spannungsgrenzen beeinflussen alle das beobachtete Drehmoment-Drehzahl-Verhältnis.

Einstellungen des Motortreibers und der Drehzahlregelung

Ein drehzahlregelnder Treiber kann den Sollstrom bei steigender Last erhöhen und so die Welle nahe ihrer Soll-Drehzahl halten, bis ein Grenzwert erreicht ist. Ein spannungsgesteuertes System ohne entsprechende Regelung kann eine deutlichere Drehzahlabnahme aufweisen.

Strombegrenzung, PWM-Strategie, Kommutierungszeitpunkt, Drehzahlrückführung und maximale Soll-Drehzahl können beide Messwerte beeinflussen. Notieren Sie bei jeder Drehzahlmessung den ausgewählten BLDC-Motortreiber und dessen programmierte Einstellungen.

Der Vergleich zweier Motoren, die mit unterschiedlichen Steuerungsmodi getestet wurden, kann dazu führen, dass das Verhalten des Reglers mit den Leistungsfähigkeiten des Motors verwechselt wird. Legen Sie die Treibereinstellungen fest, bevor Sie interpretieren, welches Design bei der erforderlichen Last die bessere Leistung erbringt.

Notieren Sie außerdem, ob die Testquelle den erforderlichen Eingangsstrom aufrechterhalten kann. Ein Laborstromversorgungspfad, der in die Strombegrenzung übergeht, kann die Drehzahl verringern, selbst wenn sich der Motor und seine vorgesehene Produktionsstromversorgung anders verhalten würden.

Temperatur- und mechanische Belastungsbedingungen

Der Widerstand der Kupferwicklungen steigt mit der Temperatur. Wenn sich der Motor erwärmt, kann sich sein elektrischer Betriebspunkt verschieben, insbesondere wenn der Regler nur über begrenzten Spannungs- oder Strompuffer verfügt.

Kupplungen, Lagervorspannung, Dichtungen und Getriebeverluste verändern ebenfalls die mechanische Beanspruchung. Ein reiner Motor-Prüfstandstest kann sich daher von einer Messung unterscheiden, die nach dem Einbau in die Anlage durchgeführt wird.

Bei einer Getriebebaugruppe ist der Messort anzugeben. Ein beispielhaftes Untersetzungsverhältnis von 30:1 wandelt 3.600 Motordrehzahl pro Minute gemäß dem kinematischen Verhältnis in etwa 120 Ausgangsdrehzahl pro Minute um; der Wirkungsgrad des Getriebes beeinflusst die verfügbare Ausgangsleistung und das Drehmoment, nicht jedoch dieses ideale Verhältnis selbst.

Wie sollten Nenndrehzahl und Leerlaufdrehzahl gemessen werden?

Schaffen Sie einheitliche Prüfbedingungen

Beginnen Sie mit einem vereinbarten Aufbau: Messung der Versorgungsspannung an einem definierten elektrischen Messpunkt, festgelegte Antriebseinstellungen, Motordrehrichtung, Wellenanschluss und ein Drehzahlmessgerät, das für den Zieldrehzahlbereich geeignet ist.

Erfassen Sie die Umgebungstemperatur und, sofern aussagekräftig, die Wicklungs- oder Gehäusetemperatur. Legen Sie fest, ob die Messwerte nach einer kurzen Stabilisierungsphase oder erst dann erfasst werden, wenn die Temperaturen einen festgelegten stationären Zustand erreicht haben.

Optische Drehzahlmesser, Encoder und Hall-basierte Rückmeldungen können die Drehzahl liefern, erfordern jedoch jeweils eine korrekte Skalierung. Bei der Umrechnung gemessener elektrischer Zyklen in mechanische Drehzahl sind die Polpaare des Motors und das gemessene Signal zu berücksichtigen.

Für die elektrische Grundfrequenz f in Hertz und p Polpaare gilt: mechanische Drehzahl n = 60f/p in U/min. Rohe Hall-Flanke oder Kommutierungsereignisse entsprechen nicht automatisch einem elektrischen Zyklus.

Legen Sie das Mittelungsintervall und die Auflösung des Messgeräts so fest, dass eine schwankende Anzeige nicht mit einem instabilen Motorbetrieb verwechselt wird. Wiederholen Sie die Messungen oder berücksichtigen Sie die Messunsicherheit, wenn die Toleranz eng ist.

Wenn die Drehzahl aufgrund der Abstimmung des Regelkreises schwankt, erfassen Sie sowohl die Schwankung als auch den Mittelwert. Eine durchschnittliche Drehzahl innerhalb der Toleranz kann dennoch für einen präzisionsgesteuerten Mechanismus inakzeptable Schwankungen verbergen.

Messung der Leerlaufdrehzahl ohne externe Wellenbelastung

Trennen Sie den vorgesehenen angetriebenen Mechanismus, ohne normale Komponenten zu entfernen, die zur getesteten Motorbaugruppe gehören. Stellen Sie sicher, dass sich die freie Welle sicher drehen kann und dass der Sensor keinen nennenswerten Widerstand verursacht.

Veranschaulichende Anordnung zur Messung der Leerlaufdrehzahl.

Legen Sie die vorgeschriebene Spannung und die angegebene Treiberkonfiguration an, lassen Sie den Drehzahlwert sich einpendeln und zeichnen Sie dann die Drehzahl und den Leerlaufstrom auf. Geben Sie an, ob der Treiber drehzahlbegrenzt ist oder unter einem anderen definierten Befehl arbeitet.

Ein niedriger Leerlaufstrom bei der erwarteten Drehzahl kann als nützlicher Anhaltspunkt dienen, beweist jedoch nicht, dass der Rotor die Drehmomentanforderung erfüllt. Ebenso sollte ein vom erwarteten Wert abweichender Leerlaufwert untersucht werden, anstatt automatisch eine Fehlerdiagnose zu stellen.

Messung der Nenndrehzahl bei vorgeschriebenem Drehmoment

Verwenden Sie einen kalibrierten Leistungsprüfstand oder ein anderes Verfahren zur kontrollierten Belastung, um das erforderliche Wellendrehmoment aufzubringen. Messen Sie Drehmoment und Drehzahl an derselben Stelle der Welle oder berücksichtigen Sie zwischengeschaltete Übertragungsverluste ausdrücklich.

Beispielhafte Anordnung für einen Nennlast-Drehzahl-Test.

Erfassen Sie Drehzahl, Drehmoment, Spannung und Strom gleichzeitig. Wenn die elektrische Eingangsleistung angegeben wird, legen Sie fest, wie diese gemessen wurde; die mechanische Ausgangsleistung des Motors ist das Drehmoment an der Welle multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit.

Überprüfen Sie die Betriebsdauer und die Temperaturkriterien, die mit dem angegebenen Nennpunkt verbunden sind. Eine kurz nach dem Anlauf aufgezeichnete Drehzahl kann für sich allein keine Aussage über die Dauerbelastbarkeit treffen.

Wenn ein Drehzahlbereich angegeben ist, führen Sie die Prüfung an den relevanten Betriebsgrenzen durch und nicht nur bei Nennspannung. Belasten Sie den Motor niemals über seine vereinbarten elektrischen, thermischen oder mechanischen Grenzwerte hinaus, um eine Prüfung abzuschließen.

Vergleichen Sie die Ergebnisse mit dem geforderten Betriebspunkt

Stellen Sie die beiden Messwerte getrennt dar, jeweils mit den zugehörigen Bedingungen. Fügen Sie bei Anwendungen mit variabler Last mehrere Lastpunkte hinzu, um zu zeigen, wie das System über den vorgesehenen Betriebsbereich hinweg reagiert.

Eine Differenz wie die Leerlaufdrehzahl abzüglich der Drehzahl unter Last ist aussagekräftig, stellt jedoch kein allgemeingültiges Maß für die Motorqualität dar. Der Wert hängt vom Prüfpunkt und der Funktionsweise des Reglers ab.

Prüfobjekt	Leerlaufprüfung	Nennpunkt-Test	Abnahme-Kriterium
Mechanischer Zustand	Keine vorgesehene externe Wellenbelastung	Definiertes Drehmoment an der Welle	Wird die Last an der vereinbarten Stelle aufgebracht?
Elektrischer Zustand	Vorgeschriebene Spannung und Treiber-Einstellungen	Vorgeschriebene Spannung und Treiber-Einstellungen	Werden Grenzwerte und Regelmodus erfasst?
Messwerte	Drehzahl, Strom, Spannung	Drehzahl, Drehmoment, Strom, Spannung	Sind Messgeräte und Zeitablauf definiert?
Thermische Bedingungen	Dokumentierte Prüftemperatur	Erforderliche Betriebs- und thermische Bedingungen	Stützt das Ergebnis die angegebene Dauer?
Entscheidung	Mit Referenzbereich vergleichen	Vergleich mit der Anforderung an die Drehzahl unter Last	Ist die Regel für „bestanden/nicht bestanden“ dokumentiert?

Wie sollten OEM-Einkäufer eine überprüfbare Drehzahlspezifikation für BLDC-Motoren verfassen?

Definieren Sie die elektrischen und mechanischen Anforderungen

Gehen Sie von den Betriebsanforderungen der Maschine aus und nicht von der angegebenen Nenndrehzahl eines verfügbaren Motors. Legen Sie die Welle fest, bei der die Drehzahl entscheidend ist, sowie die entsprechende Last und die im Betrieb zu erwartenden Spannungsbedingungen.

Prüfen Sie die Auswahl an kundenspezifischen bürstenlosen Motoren im Hinblick auf den gesamten Anwendungsbereich. Gian Transmission listet Konstruktions- und Spannungskategorien auf, doch eine solche Kategorisierung sagt nichts über die elektrischen Nennwerte oder den Statoraufbau eines bestimmten abgebildeten Modells aus.

• Drehzahlanforderung: Geben Sie die Mindest-, Ziel- oder zulässige Drehzahl an jedem erforderlichen Drehmomentpunkt an.
• Stromversorgung: Geben Sie die Nennspannung, die zulässige Abweichung und den Messpunkt der Spannung an.
• Steuerung: Geben Sie den Steuerungsmodus, die Strombegrenzungen, gegebenenfalls die Firmware-Einstellungen sowie die Drehzahlvorgabe an.
• Betriebsdauer und Umgebung: Definieren Sie die Betriebsdauer, die Umgebungsbedingungen, die Montageart und die Kühlungsanordnung.
• Mechanische Schnittstelle: Definieren Sie Welle, Kupplung, Getriebe, Abtriebsposition und zulässige Übertragungsverluste.

Festlegung von Toleranzen und Abnahmekriterien

Eine Zeichnung, auf der lediglich „Nenndrehzahl: 3.000 U/min“ steht, überlässt es dem Lieferanten und dem Käufer, die zulässige Abweichung zu erraten. Geben Sie einen expliziten Bereich oder einen Mindestwert an und fügen Sie die entsprechenden Drehmoment- und Prüfbedingungen bei.

Wählen Sie Toleranzen anhand der funktionalen Anforderungen der Anlage und der Messmöglichkeiten aus, nicht anhand eines angenommenen universellen Prozentsatzes. Geben Sie bei Bedarf die Kalibrierung der Messgeräte, Stabilisierungskriterien und die Anzahl der wiederholten Messungen an.

Trennen Sie die Konstruktionsziele für Prototypen von den Abnahmeanforderungen für die Serienfertigung. Legen Sie fest, was geschieht, wenn ein Muster den Test nicht besteht: Überprüfen Sie den Aufbau erneut, inspizieren Sie den Motor oder wenden Sie ein vereinbartes Entsorgungsverfahren an.

Wenn eine Produktionsstichprobenprüfung geplant ist, vereinbaren Sie die Chargendefinition, das Auswahlverfahren, die Anzahl der Einheiten und die Entsorgungsregeln. Ein erfolgreicher Prototypentest allein definiert noch keinen angemessenen Qualitätskontrollplan für die Produktion.

Beispiel für eine Abnahmeerklärung: „Bei dem definierten Wellendrehmoment, der spezifizierten Versorgungsspannung und den angegebenen thermischen Bedingungen muss die gemessene Wellendrehzahl innerhalb des genehmigten Drehzahlbereichs bleiben.“ Geben Sie projektspezifische Werte erst nach der Validierung ein.

Abstimmung von Mustern, Zeichnungen und Übergabeprotokollen

Vergewissern Sie sich vor der Freigabe, dass die geprüfte Baugruppe mit der vorgesehenen Wicklungskonfiguration, der Wellenanordnung, den Reglereinstellungen und den thermischen Einbaubedingungen übereinstimmt. Ein positives Prüfergebnis aus einer anderen Konfiguration ist kein austauschbarer Nachweis.

Bei Fragen zu vorgeschlagenen kundenspezifischen Konfigurationen nutzen Sie bitte die Kontaktseite von Gian Transmission, um die Anforderungen an den Betriebspunkt auszutauschen und die entsprechende technische Dokumentation anzufordern; betrachten Sie eine allgemeine Kategorieliste nicht als modellspezifisches Datenblatt.

Kennzeichnen Sie die Revision jedes kontrollierten Dokuments und verknüpfen Sie die Testergebnisse mit den tatsächlichen Mustern. Geben Sie die Geräteidentifikation, den Kalibrierungsstatus, die Umgebungs- und Motortemperatur, die elektrische Konfiguration, das angelegte Drehmoment, die gemessene Drehzahl sowie Abweichungen an.

Die technische Übergabe sollte eine genehmigte Betriebspunkttabelle, ein kontrolliertes Prüfverfahren, aufgezeichnete Musterergebnisse sowie schriftliche Abnahmekriterien für die Überprüfung der Nenndrehzahl und der Leerlaufreferenz enthalten.