DC-Servomotor Richtig gewickelt dreht auch der kleinste Motor hoch

Klein, leistungsstark und wenig Einbauplatz – auf diesen Mix kommt es bei vielen Antrieben für optische oder messtechnische Systeme an. Eine neue Wickeltechnik sorgt jetzt auch für Motoren mit nur 22 mm Durchmesser für ausreichend Drehmoment.

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Kleine, leichte Motoren, die hohe Leistung bringen, sind an sich nicht neu. Bereits vor einiger Zeit hat sich der Antriebsspezialist Faulhaber mit der Entwicklung der Serie 3274 BP4 hier etabliert. Der bürstenlose DC-Servomotor mit 32 mm Durchmesser und 74 mm Länge hat ein Dauerdrehmoment von 162 mNm. Mit knapp 320 g bringt er dabei weniger als die Hälfte an Gewicht auf die Waage als herkömmliche Motoren mit vergleichbarem Leistungsvermögen. Er eignet sich für Anwendungen, in denen es auf 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 da keineswegs stehengeblieben: Das Leichtgewicht hat einen kleinen Bruder bekommen. Der neue Gleichstrom-Kleinstantrieb 2264 BP4 erreicht ein maximales Drehmoment von 59 mNm, bei 140 g Gewicht und einem Durchmesser von 22 mm. Außerdem sind Drehzahlen bis zu 34.000 m^-1 möglich.

Segmentwicklung erhöht den Kupferanteil

Der Grund für diese Leistungsstärke und zugleich das Herzstück bei beiden Motoren ist die neuartige Segment-Wicklung der Spule. „Die Wickeltechnik gehört zu unserer Kernkompetenz“, sagt Anne Schilling, Produktmanagerin bei Faulhaber. Mit der neuen Segmentwicklung, die für die bürstenlosen DC-Motoren der Familie BP4 entwickelt wurde, setzen die Antriebsspezialisten eine Tradition fort. Faulhaber gilt als Erfinder der sogenannten Faulhaber-Wicklung, mit der die Geschichte moderner Kleinstmotoren begann.

Der Aufbau der neuen, zum Patent angemeldeten Wicklung ist einfach: 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 Produktmanagerin Anne Schilling. Der vierpolige Motor weist zudem ein geringes Trägheitsmoment auf und ist deshalb auch gut für den dynamischen Start-/Stopp-Betrieb geeignet.

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 am hinteren Multifunktionsflansch des Motors befestigen.

Ebenso wie sein großer Bruder ist auch 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 °C, in dem der Motor eingesetzt werden kann.

Jedes Gramm zählt bei Handstücken

Mit diesen Eigenschaften eignet sich der neue DC-Kleinstmotor als Antriebslösung für praktisch alle Anwendungen, bei denen es eng zugeht oder das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, aber zugleich viel Drehmoment benötigt wird, heißt es bei Faulhaber. Die beiden wichtigsten Einsatzgebiete sieht Anne Schilling 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 oder Robotern, bei mobilen Robotern wie zum Beispiel Kanalrobotern, in der Luftfahrt bei der Kabinenausstattung oder bei aktiven Prothesen, welche die Funktion fehlender Gliedmaßen immer umfassender übernehmen können. Und so lässt sich der DC-Kleinstantrieb mit passenden Präzisionsgetrieben für praktisch jede Aufgabenstellung konfigurieren.

SPC IPC 2017: Halle 4, Stand 346

* Ellen-Christine Reiff, Fachjournalistin vom Redaktionsbüro Stutensee

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