Drehmomentstark: So verleihen flache Motoren Robotern Bärenkräfte

Elektrische Antriebe Drehmomentstark: So verleihen flache Motoren Robotern Bärenkräfte

18.07.2019Autor / Redakteur: Anne Schilling, Ellen-Christine Reiff / Karin Pfeiffer

Egal ob Roboter als flaches Transportsystem durch die Produktion rollen, fest installiert sind oder Staub saugen: Kompakte Bauformen sollen es sein. Und da sind zunehmend elektrische Antriebe mit hoher Leistungsdichte gefragt.

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SAB Bröckskes GmbH & Co KG

Die Flachmotoren lösen verschiedene Antriebsaufgaben, beispielsweise auch im medizinischen Bereich.
(Bild: Faulhaber)

Bei Robotikanwendungen gilt es, ein hohes Drehmoment auf möglichst kleinem Bauraum zu erreichen, z.B. in einem Robotergelenk oder bei fahrerlosen Transportsystemen. Müssen die Antriebe aufgrund der Einbausituation dann auch noch in axialer Richtung möglichst kurz bauen, wird es schwierig, die ideale Lösung zu finden. Anwender im Robotikbereich mussten bisher Kompromisse eingehen. Das hat sich jetzt geändert. Denn bei der Entwicklung der neuen BXT-Flachmotoren hat sich Faulhaber dieser Herausforderung gestellt und die Grenzen des technisch Machbaren weiter verschoben. Die bürstenlosen Außenläufermotoren setzen jetzt in der Robotik neue Maßstäbe, da sie deutlich höhere Drehmomente liefern, als es bisher in dieser Größe und Bauart möglich war.

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Dabei spielen die elektromagnetische Auslegung von Stator und Rotor sowie der Aufbau der Motorwicklung und ihre Fertigung eine entscheidende Rolle: Mit 14 starken NdFeB-Einzelmagneten auf dem Rotor und 12 Zähnen auf dem Stator treffen bewährte Technologien auf eine neuartige Wickeltechnik. Den Antriebsspezialisten ist es gelungen, den Wicklungsraum voll auszunutzen, um einen hohen Kupferfüllfaktor im aktiven Teil der Wicklung zu erreichen.

Mehr Kupfer sorgt für mehr Leistung

Der große Kupferanteil steigert die Leistungsfähigkeit des Motors. Zudem ist eine hohe Wicklungssymmetrie mit minimalen Stromverlusten und ein entsprechend großer Wirkungsgrad wichtig. Gleichzeitig ist der Platzverbrauch durch die Verlegegeometrie der Drähte auf ein Minimum reduziert. Deshalb ist nicht nur die Wicklung selbst optimiert, auch die dazugehörige Fertigungstechnik.

Dadurch liefern die bürstenlosen DC-Servomotoren jetzt Drehmomente von 10,2 mNm, 41 mNm und 134 mNm bei einem Durchmesser von 22 mm, 32 mm bzw. 42 mm. Vor allem das Verhältnis von Drehmoment zu Bauraum und Gewicht ist wesentlich besser als der Marktstandard.

Axial wenige mm kurz und Wirkungsgrad bis zu 88 %

Da die Motoren in axialer Richtung nur 14 mm, 16 mm bzw. 21 mm kurz sind, lassen sie sich selbst bei platzkritischen Applikationen einfach unterbringen. Und der Wirkungsgrad der Flachmotoren liegt abhängig vom jeweiligen Arbeitspunkt bei 69 bis 88 %. Bei typischen Arbeitspunkten ist das einige Prozent besser als bei vergleichbaren Ausführungen am Markt.

Mit den drei Baugrößen sind viele unterschiedliche Antriebsaufgaben lösbar, die durchaus über den Robotikbereich hinausgehen: Bei einer Unterarm-Prothese bieten sich beispielsweise der kleine Motor für die Hand und der mittlere Motor für den Ellenbogen an. Weiterhin finden sich Einsatzmöglichkeiten bei Robotergreifern, in der industriellen Automation, in humanoiden Robotern und selbst in der Biorobotik für motorisierte – also kraftunterstützende – Hand-Exoskelette kommen die kleinen Kompaktantriebe infrage.

BUCHTIPPDas Buch „Praxishandbuch Antriebsauslegung“ hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

Darüber hinaus können die Motoren mit weiteren Eigenschaften punkten: So überzeugen sie durch ihre guten Gleichlaufeigenschaften. Durch den hohen Kupferfüllfaktor und die Auslegung der Polschuhe ist das Magnetfeld stark und das Rastmoment nur sehr klein. Die Motoren liefern eine Dauerleistung von bis zu 100 W. Kundenspezifische Modifikationen an der elektrischen und der mechanischen Schnittstelle der Motoren sind möglich. Standardmäßig sind Einzellitzen vorgesehen, was eine flexible elektrische Schnittstelle für verschiedenste Anwendungen bietet. Weiterhin gibt es ein Steckerkonzept zum Anschluss von Steuerungen. Die Baureihe ist ausgelegt für Drehzahlbereiche bis 10.000 U/min und lässt sich mit verschiedenen Getrieben, Encodern, Bremsen und Steuerungen aus dem Faulhaber Programm kombinieren. Die Motoren sind standardmäßig mit digitalen Hallsensoren ausgestattet. Durch ihre hohe Polzahl können sie bereits damit sehr präzise drehzahlgeregelt werden.

Für Robotik: Antriebsbaukasten für Flachmotoren

Die neuen Flachmotoren gibt es zudem mit oder ohne Gehäuse: Die ungehäusten Ausführungen BXT R empfehlen sich besonders für drehzahlgeregelte Anwendungen, in welchen hohen Leistungen umgesetzt werden, da die Wärme in den ungehäusten Ausführungen optimal abgeführt wird. Es muss jedoch sichergestellt sein, dass der Rotor in der Anwendung frei drehen kann. Die gehäusten Ausführungen BXT H eignen sich vor allem für Positionieranwendungen, da sie mit einer Vielzahl optischer und magnetischer Encoder kombiniert werden können. Die Gehäuse der BXT H dienen als Schutz vor Berühren und vor Schmutz, sie sind durchmesserkonform und damit genauso wie die ungehäusten Motoren BXT R sehr kompakt. Damit steht ein Antriebsbaukasten zur Verfügung, mit dem sich viele, ganz unterschiedliche Aufgabenstellungen in der Robotik lösen lassen.

* Anne Schilling, Produktmanagerin Faulhaber; Ellen-Christine Reiff, RBS Stutensee

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