Weniger Reibung, mehr Energie - Die „Bürstenlos-Technologie“ bei Akku-Werkzeugen ist mit vielen Vorteilen verbunden, die der Anwender schätzt
Sie waren groß, schwer, unhandlich und für den professionellen Einsatz aufgrund ihrer schwachen Leistung kaum geeignet: die ersten Akku-Schrauber, die vor rund 40 Jahren in Deutschland auf den Markt kamen. Doch die Entwicklung profitauglicher Werkzeuge, die mit der Leistung kabelgebundener Geräte mithalten konnten und auch unter ergonomischen Gesichtspunkten überzeugten, war rasant.
Ein bürstenloser Motor ist sozusagen ein „verkehrt herum“ zusammengebauter Bürstenmotor. Die meist dreiphasigen Wicklungen befinden sich im Stator (Mitte) und die Permanentmagneten im Rotor (rechts). Der Strom wird nicht mechanisch durch Bürsten und Kollektor, sondern elektronisch durch einen Regler übertragen, der auch automatisch umpolt.
„Bürstenlose Motoren erreichen bereits bei niedriger Drehzahl einen höheren Wirkungsgrad als Bürstenmotoren.“ Markus Rompel.
Sind sich sicher, dass der bürstenlose Motor noch längst nicht alles in Sachen technologischer Entwicklungen bei Elektrowerkzeugen ist: die Dewalt-Ingenieure (v.l.) Markus Rompel, Manfred Droste und René Gumpert.
Viele Akku-Maschinen wie dieser Bohr- und Schlagbohrschrauber mit bürstenlosem Motor sind nicht nur äußerst kompakt, sondern haben auch viel Kraft und Ausdauer. Solche Werkzeuge erzielen im Vergleich zu einem entsprechenden Gerät mit Bürstenmotor eine rund 50% längere Laufzeit pro Akkuladung.
Immer stärkere Voltklassen (bis 36V) kamen ins Spiel, neue Akku-Typen wie Lithium-Ionen lösten die früher gebräuchlichen Nickel-Cadmium- und inzwischen auch Nickel-Metallhydrid-Akkus ab. Momentan liegt der Fokus auf einer immer höheren Akku-Kapazität – teilweise werden bis 6,0 Ah (Amperestunden) erreicht.
Und schon arbeiten die Werkzeugentwickler an weiteren Möglichkeiten, Akku-Werkzeuge noch leistungsfähiger zu machen. Die Bürstenlos-Technologie, also ein Motor, der ohne die klassischen Kohlebürsten auskommt, ist eine Option, die mehr und mehr Freunde findet. Schließlich bringt sie dem Anwender echte Vorteile: Weil beim bürstenlosen Motor weder Schleifkontakte noch Kollektor nötig sind, kann die Reibung, die beim Bürstenmotor durch das Andrücken der Bürsten gegen den Kollektor entsteht, eliminiert werden. Geringere Reibung wiederum bedeutet weniger Verschleiß und damit längere Wartungsintervalle und erhöhte Lebensdauer. Sie ermöglicht aber auch bessere Wirkungsgrade und wesentlich höhere Spitzenleistungen bei Maschinen, die noch einmal kleiner und kompakter sind als solche mit Kohlebürsten. Durch die fehlende Reibung entwickeln die Motoren außerdem weniger Hitze, was die Lebensdauer der Maschinen ebenfalls erhöht.
Intelligente Schalter
Damit ein bürstenloser Motor überhaupt funktioniert, benötigt er einen elektronischen Regler zum Umpolen des Stroms. Dieses elektronische Modul ist auch der Grund dafür, dass die Bürstenlos-Technologie bisher fast nur in Maschinen mit Li-Ion-Akku zu finden ist. Warum das so ist, erläutern Manfred Droste, René Gumpert und Markus Rompel, Ingenieure im Engineering Department von Dewalt in Idstein. „Früher hatte der Schalter nur die Funktion, den Motor ein- und auszuschalten. Dann wurde eine Elektronik in den Schalter integriert, mit der man wie mit einem Dimmer die Lichtintensität die Drehzahl des Motors steuern konnte“, so Droste. Mit der Einführung der Li-Ion-Akkus wurde noch viel mehr Elektronik erforderlich, um die sensible Batterie zu überwachen. „Jetzt war schon so viel Elektronik im Spiel, dass die Bürstenlos-Technologie, für die extrem viel Elektronik benötigt wird, der folgerichtige nächste Schritt war“, erläutert Gumpert. „So weiß diese Elektronik z.B. stets, wo sich der Rotor gerade befindet, und das, obwohl hier auch schon mal 30000 Umdrehungen pro Minute und mehr, also mindestens 500 pro Sekunde, erreicht werden.“
Für kabelgebundene Maschinen, die nach heutigem Stand mit deutlich weniger Elektronik als Akku-Geräte auskommen, sind die Zusatzkosten, die für die Bürstenlos-Technologie anfallen, momentan noch nicht wirtschaftlich. Das könnte sich irgendwann ändern, denn: „Wenn die Nachfrage nach und damit das Angebot an elektronischen Features und bürstenlosen Motoren mit den entsprechenden Elektroniken steigt, dann werden die Mehrpreise für die Komponenten sinken, sodass sie auch für Netzgeräte interessant werden“, meint Gumpert.
Mehr Effizienz
Allen bürstenlosen Motortypen ist gleich, dass ihre rotierenden Teile wesentlich kleiner und leichter sind als bei Bürstenmotoren. Deshalb lassen sie sich schneller und mit weniger Kraftaufwand in Bewegung setzen – es bleibt also mehr Akku-Kapazität für die eigentliche Arbeit, die Leistungsverluste sind geringer. Gerade bei kurzen, schnellen Anwendungen wie dem Schrauben ist ein bürstenloser Motor daher deutlich effizienter als einer mit Bürsten. „Auch im unteren Drehzahlbereich, in dem der Bürstenmotor noch wenig Leistung entfaltet, ist der bürstenlose schon richtig am Arbeiten“, erklärt Rompel. „In der Spitze liegt er hinsichtlich seiner Effizienz dann noch einmal 5 - 10% über dem Bürstenmotor, der im Durchschnitt 80% Wirkungsgrad erreicht.“
Bürstenlose Motoren erreichen also bessere Wirkungsgrade und damit ausreichende Durchzugskraft bei allen Anwendungen sowie wesentlich höhere Spitzenleistungen bei gleichzeitig kompakterer Bauweise. Ein Beispiel: Die neuen Bohr- und Schlagbohrschrauber von Dewalt erzielen im Vergleich zu einem entsprechenden Gerät mit Bürstenmotor eine fast 60% längere Laufzeit pro Akkuladung.
„Und es gibt noch mehr Vorteile“, meint Rompel. „Da es keine Kollektoren gibt, entsteht keine Funkenbildung durch Bürstenfeuer, sodass die bürstenlosen Geräte auch in sensiblen Anwendungsbereichen, in denen Explosionsgefahr besteht, einsetzbar sind.“ Und muss eine solche Maschine mal zum Service, erlaubt die spezielle Mikroelektronik eine bessere Fehleranalyse des Motors.
Ausblick
Für die Zukunft erwarten die drei Dewalt-Ingenieure eine ganze Reihe weiterer Entwicklungen, die bisher nicht möglich waren: „Dank mehr Elektronik werden Elektrowerkzeuge über mehr Intelligenz und Funktionen verfügen, die dem Handwerker das Arbeiten weiter erleichtern werden“, ist sich Gumpert sicher.
Quelle: Stanley Black & Decker Deutschland GmbH (Dewalt)
www.dewalt.de
