Antriebstechnik Neue Wickeltechnik für mehr Leistung

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Dank neuer Wickeltechnik haben jetzt auch Motoren mit nur 22 mm Durchmesser ausreichend Drehmoment für viele Anwendungen.

Kleine, leichte Motoren, die hohe Leistung bringen, sind an sich nicht neu; bereits vor wenigen Jahren hat der Antriebsspezialist Faulhaber mit der Entwicklung der Serie 3274 BP4 hier neue Massstäbe gesetzt. Der bürstenlose DC-Servomotor mit 32 mm Durchmesser und 74 mm Länge hat ein Dauerdrehmoment von beachtlichen 162 mNm. Mit knapp 320 g bringt er dabei weniger als die Hälfte an Gewicht auf die Waage als herkömmliche Motoren mit vergleichbarem Leistungsvermögen und eignet sich für Anwendungen, in denen es auf hohe Leistung und dynamischen Start-Stopp-­Betrieb bei möglichst geringem Gesamtgewicht ankommt, wie beispielsweise in Gelenkantrieben von humanoiden Robotern, elektrischen Greifern oder Hochleistungsfahrantrieben für die Inspektionsrobotik. Die Entwicklung ist aber keineswegs stehengeblieben: Das leistungsstarke Leichtgewicht hat jetzt einen kleinen Bruder bekommen. Der neue DC-Kleinstantrieb 2264 BP4 erreicht ein maximales Drehmoment von 59 mNm bei nur 140 g Gewicht und einem Durchmesser von 22 mm. Ausserdem sind Drehzahlen bis zu 34 000 Umdrehungen in der Minute möglich.

Segmentwicklung erhöht den Kupferanteil

Der Grund für diese Leistungsstärke und zugleich das Herzstück bei beiden Motoren ist die neuartige Segmentwicklung der Spule. «Seit 1947 mit der Fauhaber Wicklung die Geschichte der modernen Kleinstmotoren begann, gehört die Wickeltechnik zu unserer Kernkompetenz», erläutert Anne Schilling, die Produktmanagerin. Mit der neuen Segmentwicklung, die für die bürstenlosen DC-Motoren der Familie BP4 entwickelt wurde, setzen die Antriebsspezialisten diese Tradition fort. «Wir haben aber nicht nur die Wicklung entwickelt, sondern beherrschen auch die dazugehörige Fertigungstechnik», ergänzt Anne Schilling.

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Dabei ist der Aufbau der neuen, zum Patent angemeldeten Wicklung einfach zu verstehen: Einzeln gewickelte Segmente werden überlappend ineinandergesteckt. Dadurch lässt sich in der Spule eine besonders grosse Menge Kupfer unterbringen. Der hohe Kupferanteil steigert die Leistungsfähigkeit des Motors. Weitere erwünschte Nebeneffekte dieses Spulenaufbaus sind eine hohe Wicklungssymmetrie mit minimalen Stromverlusten und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad. Durch die kompakte Spule lässt sich ausserdem eine belastbare Welle mit 4 mm Durchmesser und passender Lagerung verbauen. «Damit kann der kleine Motor ohne weiteres auch als Direktantrieb dienen, etwa in Handstücken motorisierter Werkzeuge», erklärt Anne Schilling. Der vierpolige Motor weist zudem ein geringes Trägheitsmoment auf und ist deshalb auch gut für den dynamischen Start-Stopp-Betrieb geeignet.

Sensorik platzsparend integriert

Die Sensoren für die Positionsbestimmung lassen sich ebenfalls wirtschaftlich und platzsparend integrieren. Analoge Hall­sen­soren, die es als Option gibt, benötigen keinen zusätzlichen Bauraum. Sie bestimmen die Position der Welle sehr genau und können in den meisten Fällen einen Encoder ersetzen. Dadurch sind besonders leichte und kompakte Antriebslösungen realisierbar. Sollte doch mehr Präzision gefordert sein, etwa bei optischen Systemen, in Messsystemen oder in der Halbleiterfertigung, stehen kompatible optische und magnetische Encoder zur Verfügung. Sie lassen sich ganz einfach am hinteren Multifunktionsflansch des Motors befestigen.

Ebenso wie sein grosser Bruder ist der neue Kleinstantrieb überlastfähig. Er arbeitet ohne verschleissanfällige mechanische Kommutierung und erreicht deshalb im Vergleich zum herkömmlichen DC-Kleinstmotor eine deutlich höhere Lebensdauer. Für viele Anwendungen interessant ist auch der grosse Temperaturbereich von –40 bis +125 Grad Celsius, in dem der Motor eingesetzt werden kann.

Breites Anwendungsspektrum

«Mit diesen Eigenschaften ist der neue DC-Kleinstmotor eine passende Antriebslösung für praktisch alle Anwendungen, bei denen es eng zugeht oder das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, aber zugleich viel Drehmoment benötigt wird», findet Anne Schilling. Die beiden wichtigsten Einsatzgebiete sieht sie bei Handstücken von elektrischen Werkzeugen und in der industriellen Automation. «Bei elektrischen Astscheren, elektrischen Schraubendrehern oder bei motorisierten Instrumenten für die Chirurgie arbeiten die Anwender oft viele Stunden mit ihren Geräten. Es zählt also jedes Gramm, das gehalten und bewegt werden muss. Zugleich sollen die Werkzeuge schnell, stark und effektiv sein, müssen also auf den Punkt Höchstleistungen erbringen, damit jeder Arbeitsgang ohne Nachsetzen abgeschlossen werden kann.»

Ganz ähnliche Anforderungen gelten – zumindest im Hinblick auf das Grösse-­Drehmoment-Verhältnis – in vielen Bereichen der Fabrikautomation, etwa bei Greifern und Robotern, bei mobilen Robotern wie zum Beispiel Kanalrobotern, in der Luftfahrt bei der Kabinenausstattung und bei aktiven Prothesen, welche die Funktion fehlender Gliedmassen immer umfassender übernehmen können. Mit passenden Präzisionsgetrieben lässt sich der DC-Kleinstantrieb für praktisch jede Aufgabenstellung passend konfigurieren.

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