Elektrische Antriebe Ursachen von Geräuschen in Kleinstantrieben

Autor / Redakteur: Thomas Fuchs * / Gerd Kucera

Nur eine Ansteuer- und Leistungselektronik mit sinusförmig verlaufenden Strömen vermeidet störende Geräusche in Kleinantrieben, deren Wirkung nicht zu unterschätzen ist.

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Bild 1: Eine Bewertung des Gesamtklangbildes einer Antriebseinheit erfordert langjährige Erfahrung und gute Kenntnisse der Ansprüche.
Bild 1: Eine Bewertung des Gesamtklangbildes einer Antriebseinheit erfordert langjährige Erfahrung und gute Kenntnisse der Ansprüche.
(Bild: FAULHABER)

Laufruhe ist heute ein gern verwendetes Wort, wenn es um Antriebe aller Art geht. Gerade bei elektrischen Kleinstantrieben, die häufig in Geräten für sensible Bereiche eingebaut werden, ist ein leiser Lauf sehr wichtig. Schwingungen oder Vibration sind häufig Ursache für Schallabstrahlung, aber wann ist der Schall störend? Erst wenn man die Eigenschaften des menschlichen Ohres kennt, kann tatsächlich durch eine Messung des relevanten Schalls eine Aussage über eventuell störende Schallkomponenten getroffen werden, die landläufig „Lärm“ genannt wird.

Geräusche, die der Mensch wahrnimmt, werden in den meisten Fällen über die Luft übertragen. Dieser sogenannte Luftschall ist aber nur eine Form, die andere ist der Körperschall, also Schwingungen im festen oder flüssigen Material. Beide Formen können bei zu hohen Pegeln bzw. bestimmten Schwingungsanteilen vom Betroffenen als störend empfunden werden. Um Produkte für das menschliche Empfinden als laufruhig oder leise zu gestalten, sind deswegen immer physikalische, biologische und psychische Komponenten aufeinander abzustimmen.

Drei Haupt-Ursachen für Schwingungen

Der Antriebsspezialist FAULHABER analysiert nicht nur physikalisch die einzelnen Schwingungen und Geräusche der Kleinstantriebe, die Experten in Schönaich bewerten die ermittelten Daten auch nach den Gesichtspunkten der menschlichen Wahrnehmung. So entsteht als Endprodukt ein Antrieb, der die Bezeichnung laufruhig tatsächlich verdient. Da Schall auf Schwingungen von Gasen oder festen Körpern basiert, kommen für die Schwingungsanregung der Materie eine ganze Reihe von Ursachen in Frage. Teilweise werden die einzelnen Schwingungsformen ineinander umgewandelt und ergeben so besonders störende Anteile. Im Allgemeinen lässt sich die Anregung zum Schwingen bei elektrischen Kleinantrieben auf folgende drei Ursachen zurückführen (Bild 2).

Erstens: Die magnetische Anregung und Kommutierung. Die elektrisch-magnetische Anregung wird durch Ausdehnung bzw. Verformung über die Magnetfelddurchdringung von Draht und Magnetblech oder über die Kommutierung generiert. Im klassischen Stator eines Motors entstehen durch die magnetischen Wechselfelder Kräfte in radialer und tangentialer Richtung (Bild 3). Die räumlich und zeitlich schwankende magnetische Energiedichte erzeugt Pendel- und Rastmomente sowie Biegeverformungen, z.B. an den Zähnen der Blechpakte von Stator und Rotor. Diese wiederum führen zu Körperschallschwingungen und in Folge davon auch zu Luftschall. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen kann die Stärke der Anregung minimiert werden.

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Die Kommutierung führt ebenfalls zu radialen und tangentialen Kräften. Besonders bei rechteckigem Stromverlauf bilden sich lokal rechteckförmige Kräfte, die zu sprungartigen Schwingungsanregungen am Stator führen. Die so entstehenden Geräusche, oft als Kommutierungsgeräusch bezeichnet, sind nicht zu unterschätzen. Abhilfe schafft nur eine Ansteuerelektronik mit sinusförmigen verlaufenden Strömen! Dabei verschlechtert sich zwar die Motorausnutzung; Sinusansteuerung reduziert bzw. beseitigt aber den Kommutierungsanteil am Betriebsgeräusch weitgehend.

Bei Schleifkommutierung wiederum kommt es zu Schwingungen, die aus dem System Feder-Kohlebürste beim Übergang von Lamelle zu Lamelle entstehen. Ebenso können Schwingungen dadurch generiert werden, dass die Bürste zu Schwingungen über unterschiedliche Reibwerte und damit Reibkräfte auf dem Kollektor angeregt wird, ähnlich wie bei einem Geigenbogen, der über die Saite streicht. Dies macht sich durch Pfeifgeräusche im Bereich 3 bis 10 kHz bemerkbar.

Zweite Ursache für die Vibrationsanregung: Die mechanisch erzeugten Schwingungen. Diese Art der Anregung durch Unwucht im Läufer oder nicht vollständig symmetrische Lagerung ist eine weitere Quelle für Störungen. Gleitlager können bei intermittierender mechanischer Berührung von Welle und Lauffläche Geräusche verursachen. Dies gilt vor allem bei Anlauf, zu großer Radialkraft, unrunder Welle bzw. Lagerbuchse und Schiefstand der Welle. Die Folge der Berührungen sind Schwingungen mit sehr vielen Frequenzen im Hörbereich, bei denen vor allem die Drehfrequenz und deren Vielfache besonders stark hervortreten.

Bei Kugellagern rollen Wälzkörper auf einem Innen- bzw. Außenring mit mechanischer Berührung ab. Bei idealer Lauffläche aller Partner entsteht ein breites Frequenzspektrum wegen elastischer Verformungen durch umlaufende Kräfte. Bei radialer Lagerluft, Schäden an den Oberflächen der Laufbahnen durch Fertigungsfehler oder Materialermüdung bzw. Überlastschäden können die Kugeln der idealen Laufbahn nicht mehr folgen. Bei manchen Drehzahlen laufen sie dann u.U. sogar im Gleichtakt auf einer Wellenlinie statt auf einer Kreisbahn, was zu selbsterregten Axialschwingungen des Lagerschildes führt. Unvermeidbare Unwucht im Rotor führt zwangsläufig durch die hohe Drehzahl von 10.000 bis 100.000 U/min bei Kleinstantrieben zu erheblichen Fliehkräften, d.h. zu umlaufenden Radialkräften. So ergeben sich größere oder kleinere radiale Auslenkungen der Lagerstelle, die sich auch als rütteln oder taumeln bemerkbar machen können und ebenfalls schwingungsanregend wirken.

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