Antriebstechnik

Hohes Moment auf kleinstem Raum – elektrische Kleinst­antriebe

Die Antriebstechnik ist ein nachhaltiges Beispiel für den technischen Fortschritt. Der Zentralantrieb mit zahlreichen mechanischen Übertragungsgliedern (Getriebe, Transmissionen, Kurvenscheiben) gehört der Vergangenheit an. Heute dominieren dezentrale Strukturen mit Antrieben beziehungsweise Motoren immer kleinerer Leistung. Hinzu kommt, dass ihre Funktionalität meist weit über den herkömmlichen Umfang hinausgeht. Die Hauptanwendungsgebiete des Leistungsbereichs von weniger als einem bis etwa 500 Watt sind hochgenaue Mehrpunktpositionierung und exakter Vorschub in Verbindung mit geregelter, schneller Bewegung. Fabrikautomatisierung, Handling und Robotik, Mess-, Büro- und Mediengerätetechnik, aber auch die Medizin nutzen derartige Lösungen.

Diese Antriebsklasse erfüllt auch die Anwenderforderungen nach langer, verschleißfreier Lebensdauer, großem Leistungsgewicht und hoher Dynamik sowie hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit in der anspruchsvolleren, ersten Umgebung. Ihre Vertreter arbeiten zuverlässig unter harten Einsatzbedingungen (Temperaturen von minus 25 bis plus 100 Grad Celsius, Schutzart bis IP 6X, Vibrations- und Rüttelfestigkeit bei höchsten Beschleunigungen, Sterilisierbarkeit). Gleichzeitig ist die zugehörige Stell- und Informationslektronik häufig mit dem umrichterfesten Motor (Isolationsklasse F) integriert und busfähig, so dass über die verfügbare Schnittstelle die Verknüpfung zur elektronischen Welle erfolgen und der Antrieb in ein übergeordnetes Automatisierungssystem einbezogen werden kann. Motoren synchroner Bauart bilden den Kern. Weiterhin behauptet sich der Gleichstrommotor. Der Austausch hydraulischer, elektrohydraulischer oder pneumatischer Systeme gegen den verlässlicheren elektrischen Konkurrenten wirkt sich technisch und wirtschaftlich vorteilhaft aus.

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Auf kleinstem Raum entsteht das maximale Moment beziehungsweise die höchste Schubkraft. Einmal zeichnet dafür die Motorsteuerung verantwortlich, zum anderen ist diese Eigenschaft auf die Verwendung von Selten-Erd-(SECo-) und AlNiCo-Magnete zurückzuführen. Außerdem tragen zu dieser Reduzierung die meist eisenlosen, zum Teil gedruckten Wicklungen bei. Mikro-/Minimotore charakterisiert zudem ein relativ hoher Wirkungsgrad, niedriges Trägheitsmoment für geringe Regelreserve, periodische Kurzzeit-Überlastfähigkeit sowie eine torsionssteife Welle. Die Eignung zum Direktantrieb für die Konstruktion mechatronischer Lösungen liegt somit auf der Hand. Scheibenläufertypen sind in diesem Bereich wegen ihres geringen Trägheitsmomentes und der kurzen Bauform gleichfalls von Interesse.

Arbeitsprinzipien

Die magnetischen Drehfelder von Läufer und Ständer der konventionellen Funktionsprinzipien stehen zum Bilden des Höchstmomentes senkrecht aufeinander. Diese Feldorientierung wird beim Gleichstrommotor mit mechanischem Stromwender auf quasi natürliche Weise erzielt. Dagegen setzt beim elektronisch kommutierten Motor (im Bereich großer Leistung Stromrichtermotor genannt) die Informationsverarbeitung zusammen mit den Signalen des Polradlagegebers den rechten Winkel zwischen den beiden Feldern durch. Dazu werden die Transistoren des Pulswechselrichters von diesem Geber selbstgesteuert. Beim Gegenstück Fremdsteuerung erfolgt die Vorgabe der Ansteuerpulse maschinenunabhängig von außen. Ist für die Einspeisung weder Gleichspannung noch eine Batterie verfügbar, vervollständigt ein Gleichrichter die Schaltung zum Umrichter. Er lässt sich dann an die Netzwechselspannung anschließen.

Ein Schrittmotor löst die stetige Drehbewegung in kleinste Winkelschritte auf (deutlich kleiner als ein Grad je Schritt). In die mehrsträngige Ständerwicklung fließen nacheinander Stromimpulse, damit das dadurch erzeugte, diskontinuierlich bewegte Drehfeld das Permanentmagnet-Läuferzahnrad in kleinen Schritten nachzieht. Diese Antriebe kennzeichnet Lastunabhängigkeit der Drehzahl. Sie erzielen höchste Beschleunigungen beim Bewegen/Positionieren kleiner Teile. In der Bauform Integralmotor heißt der Schrittantrieb häufig Stepper.

Einen translatorischen Hub hoher Schubkraft erzeugt der Schrittmotor, indem er als Linearaktuator eine Spindel, bestehend aus Mutter und Gewindestange, treibt. Dient der Rotor als Mutter, läuft die Stange vorteilhaft durch die Hohlwellenmaschine. Die Linearachse setzt sich zusammen aus Stellantrieb und Gestänge, das über ein Getriebe bewegt wird. Die Rotation wird gleichfalls in eine Translation umgewandelt.

Ausführungsbeispiele

Segmentiert nach Leistungsklassen, Baugrößen, Konstruktionsformen, Funktionsprinzipien, elektrischen Auswahlgesichtspunkten stehen Kleinstantriebe beziehungweise ihre Motoren als plattformorientierte Baureihen minimaler Teilezahl zur Verfügung. Jede Maschine kann um Drehzahl- und Lagegeber (Tachogeneratoren, Encoder, Hall-Sonden), Kupplungen und Getriebe spiel- und wartungsfrei, torsionssteif sowie um einen NTC-Widerstand (mit negativem Temperaturkoeffizienten) zum Überwachen der Motorerwärmung komplettiert werden, sofern solche speziell zugeschnittenen Komponenten nicht ohnehin integriert sind Joachim Krause

5-Phasen-Schrittmotor PMC33A1

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