EC-Klein-Servomotoren

Ein starker Zwerg

Kleine Servomotoren als Bindeglied zwischen Elektronik und Mechanik drängen immer stärker in den Markt. Hauptgrund ist ihre Flexibilität. So kann der Anwender Motor, Ansteuer- elektronik, Encoder und Getriebe individuell über ein Baukastensystem kombinieren – und das bei preiswerter Fertigung und höherer Prozesssicherheit. Der folgende Beitrag zeigt Konzept und Entwicklung einer solchen Lösung.

Die BX4-Serie bietet ein Gehäuse aus rolliertem Edelstahlblech, robuste Ganzmetallgetriebe für höchstes Drehmoment und einen Speed-Controller für die Motorregelung.

EC-Kleinmotoren schöpfen ihre Leistung typischerweise aus der Drehzahl. Dies gilt vor allem für zweipolige Ausführungen. Mehr Drehmoment bei gleichem Bauvolumen erhält man mit der Vierpoltechnik; hier trägt der Rotor vier Magnetsegmente. Die ebenfalls vierpolige Wicklung ist eine Weiterentwicklung der Wickeltechnologie von Faulhaber. Ein Beispiel hierfür ist der 2232BX4-Motor. Mit nur 22 mm Durchmesser und 32 mm Baulänge erreicht er Dauerdrehmomente bis zu 17 mNm. In seiner Klasse ist er damit einer der stärksten Antriebe. Seinen Erfolg verdankt er einem neuem Motorkonzept und dem Einsatz von formgebundenen Duroplastprozessen statt Klebstoffen bei der Montage der Komponenten.

Der Grund für den Einsatz eines Kunststoffs liegt in der formschlüssigen und toleranzausgleichenden Verbindungstechnologie des Spritzgussverfahrens ¿ so lassen sich auch unterschiedlichste Teile leicht, sicher und vor allem sehr gut reproduzierbar verbinden. Der duroplastische Kunststoff umschließt in einem Arbeitsgang die Wicklung und bildet gleichzeitig auch den hinteren Motorflansch aus. Selbst die Hallsensorplatine inklusive der Kontaktierung wird in diesem Fertigungsschritt mit umspritzt. Dies trägt wesentlich zur wirtschaftlichen Montage und dem robusten Aufbau bei. Kunststoff imprägniert die Wicklung rundum und schützt sie so gleichermaßen vor mechanischem wie thermischem Stress, damit steigt die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Motoren. Das Gehäuse aus rolliertem Edelstahlblech bietet die Möglichkeit der gleichzeitigen Fixierung von Blechpaket und umspritzter Wicklung, wobei die neue Verbindungstechnik sogar noch die Wirbelstromverluste im Blechpaket minimiert.

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Modularer Aufbau mit Vierpoltechnik

Um die Antriebe möglichst einfach an viele unterschiedliche Praxisanforderungen anpassen zu können, wurde das Antriebskonzept modular ausgelegt. Dies fängt schon bei der Auswahl des Rotors an. So steht für hohe Lasten ein mit vier diskreten NeFeB-Magneten bestückter Rotor für eine drehmomentstarke Auslegung des BX4 zur Verfügung. In der Ausführung BX4S basiert der preiswertere Rotor auf einem kunststoffgebundenen Magneten. Ein damit bestückter Motor ist für den Betrieb in einem höheren Drehzahlbereich konzipiert. Für die elektrische Verbindung aus dem Motorraum heraus setzten die Schönaicher Entwickler auf ein Stanzgitter. Über diese Kontaktiertechnik kann auf einfache Weise eine kundenspezifische Anbindung nach außen gestaltet werden. Die modularen Baugruppen beschränken sich nicht auf den Motor selbst, auch verschiedene Encoder in neuartiger Single Chip Technologie und Speed-Controllerausführungen können je nach Antriebsaufgabe schnell angebunden werden.

Mit dieser Single Chip Technologie und differenzieller Auswertung eines Hallsensorarrays entsteht ein magnetischer Geber, der gegen äußere Magnetfelder weitgehend unempfindlich ist. Aus den sinusförmigen Signalen errechnet der so genannte Interpolator die entsprechende Winkelinformation. Abhängig von dieser entstehen dann die nötigen Impulse für den Inkrementalgeber. Durch die Zusammenfassung aller Komponenten in einem Chip erreicht man sehr hohe Auflösungen. Der Encoder selbst besteht aus dem Magnetrad mit NeFeB-Magneten und der Leiterplatte mit dem Chip und wenigen passiven Elementen. Diese Lösung ist ebenso einfach wie robust. Den Encoder im RS422 Standard gibt es mit und ohne Linetreiber. Er liefert drei Kanäle: zwei um 90° phasenverschobene Quadratursignale plus einem Indexkanal. Derzeit sind Auflösungen von 32, 64, 128 und 256 Impulsen pro Umdrehung im Angebot. Das heißt, bis zu 1024 Schritte oder 0,35° Auflösung je Umdrehung möglich. Höhere Auflösungen sind in Vorbereitung.

Integrierter Speed-Controller

Mit dem erwähnten integrierten Speed-Controller ist ein einfacher Betrieb mit Drehzahlregelung möglich. Diese Version benötigt lediglich den Anschluss der Versorgungsspannung und eine der Drehzahl entsprechende Spannung am Analogeingang. Konfiguration und Parametereinstellung sind ohne Schalter oder Jumper komfortabel über den bekannten Motion Manager per PC möglich. Verschiedene Modi bzw. Drehzahlvorgabe per Analogspannung oder PWM-Signal bzw. die Vorgabe einer fixen Drehzahl sind ebenso möglich wie Strombegrenzungswerte oder andere Regelparameter. Diese Daten werden im Controller fix gespeichert. Anwendungsspezifische Einstellmöglichkeiten können über ein kundenspezifisches Programm ebenfalls vom Anwender in den Controller geladen werden. Im Standardauslieferungszustand ist die Schutzfunktion Strombegrenzung auf den Maximalwert des Motors eingestellt. Eine hohe Startbeschleunigung ermöglicht ein variabel konfigurierbarer Spitzenstromwert, die Dauerstrombegrenzung setzt ein, wenn das thermische Motormodell eine Wicklungstemperatur errechnet, die einen Schwellwert übersteigt. Sie deaktiviert die Leistungsendstufe und vermeidet so eine thermische Überlastung. Ein Signal am Digitalausgang, das anzeigt, ob der Antrieb momentan mit Spitzen- oder Dauerstrombegrenzung läuft, ist programmierbar.

Als dritte Variable im Bunde stehen dann für die mechanische Umsetzung noch unterschiedliche Getriebe bereit. Denn trotz der geringeren Drehzahl und dem deutlich gestiegenen Drehmoment der Vierpolmotoren sind für viele Anwendungen Getriebe unabdingbar. Gegenüber herkömmlichen 2-Pol-Ausführungen erlaubt das neue Motorkonzept jedoch oft den Verzicht auf eine Getriebestufe. Die geringere Motordrehzahl passt dabei sehr gut zu den empfohlenen Eingangsdrehzahlen der Getriebe, so dass das Potenzial von Motor wie Getriebe besser genutzt werden kann. Die durchmesserkonformen Planetengetriebe aus Metall erlauben mit 21 fein abgestuften Untersetzungen eine Anhebung des Drehmomentes an der Abtriebswelle auf bis zu 1500 mNm. Die Bandbreite der Untersetzungen reicht dabei von 4:1 bis 344:1. Die wartungsfreien Getriebe mit Lebensdauerschmierung und robuster Lagerung der Wellen erreichen eine dem Motorkonzept angepasste lange Lebensdauer. Die neu entwickelten Kleinantriebe der BX4-Serie setzen dank vierpoligem Aufbau, neuer Fertigungstechnologie und modularem Aufbau neue Maßstäbe bei Flexibilität und Leistungsfähigkeit. Ob Standardanwendung oder speziell abgestimmte Antriebstechnik, die mechanisch wie auch softwaretechnisch variablen Antriebe bieten für jede Anwendung eine Lösung. Das spart nicht nur Zeit sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten. Dr. Peter Stipp

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