Kleine und leistungsstarke Gleichstrommotoren sind entscheidend für die Entwicklung hochintegrierter Systeme. Die richtige Wahl ist grundlegend für einen zuverlässigen Betrieb.
Der vollständige Artikel erscheint in der Dezember-Ausgabe des CAN Newsletter Magazins 2021. Dies ist nur ein Auszug.
Die DC-Mikromotoren sind eine Antriebstechnologie in vielen verschiedenen Bereichen, von der Medizin- und Labortechnik über die Luft- und Raumfahrt, Robotik, Optik und Photonik bis hin zu Industriemaschinen und -geräten im Allgemeinen. Doch erst in Kombination mit anderen Komponenten wie Getrieben, Encodern und Motion Controllern reifen die Kleinmotoren zu einem anwendungsrelevanten Antriebs- oder Positioniersystem. Die richtige Wahl ist grundlegend für einen zuverlässigen Betrieb. Alle Komponenten müssen mit dem Motor kompatibel sein und seine Anforderungen erfüllen. Im schlimmsten Fall kann die Auswahl der falschen Steuerung einen Motor in kürzester Zeit zerstören.
Bei der Auswahl eines geeigneten Motion Controllers für ein Antriebssystem ist es wichtig, zunächst einige Fragen zu beantworten. Beispielsweise müssen die auszuführenden Bewegungen festgelegt und definiert werden, was dies im Hinblick auf die Anforderungen an die Motorsteuerung bedeutet. Arbeitet der Antrieb im Dauerbetrieb oder im Start-Stopp-Modus? Ist eine genaue Positionierung erforderlich? Welche Art von Last wird der Antrieb bewegen? Was sind die Lastzyklen? Ist ein Getriebe erforderlich? Welcher Motor ist für die Anwendung am besten geeignet? Der Motion Controller wird dann basierend auf den Antworten ausgewählt. Und es kann interessant werden, denn nicht jeder Motion Controller passt zu jedem Motor. Insbesondere DC-Mikromotoren stellen konstruktionsbedingt besondere Anforderungen.
Herzstück der DC-Miniatur- und Mikromotoren von Faulhaber ist die patentierte, selbsttragende, kernlose Rotorspule mit Schrägwicklung und Bürstenkommutierung, die um einen feststehenden Magneten rotiert. Dieser Motor wird aufgrund seiner Optik oft auch als Glockenankermotor bezeichnet. Sein Design hat nicht nur viele praktische Vorteile, sondern beeinflusst auch die Auswahl des Motion Controllers.
Durch den symmetrischen Luftspalt entsteht kein Rastmoment, was eine präzise Positionierung und eine hervorragende Drehzahlregelung ermöglicht. Das Verhältnis von Last zu Drehzahl, Strom zu Drehmoment und Spannung zu Drehzahl ist linear. Und da nahezu der gesamte Motordurchmesser für die Wicklung genutzt werden kann, erreichen die Motoren für ihre Baugröße und ihr Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als herkömmliche Bauformen. Die geringe Massenträgheit des Rotors garantiert zudem eine extrem niedrige elektrische Zeitkonstante. Dadurch können die Motoren sehr dynamisch und stark überlastet betrieben werden. Dreifaches Dauerdrehmoment im Überlastbetrieb ist bei Servoanwendungen durchaus üblich und problemlos möglich, solange die Temperatur der Motorwicklung überwacht wird. Motoren mit einem Durchmesser von nur 22 mm oder weniger haben jedoch keinen integrierten Temperatursensor. Es fehlt einfach der Platz. Wenn also nur ein beliebiger Controller an einen Mikromotor angeschlossen ist, kann im schlimmsten Fall die Spule vollständig durchbrennen, bevor von außen überhaupt Wärme wahrgenommen wird.
Mit Motion Controllern von Faulhaber, die für die Anforderungen von Mini- und Mikroantrieben entwickelt und unter realen Betriebsbedingungen getestet wurden, lassen sich solche Probleme vermeiden. Sie schätzen die Wicklungstemperatur für den jeweiligen Motortyp anhand von Modellen unterschiedlicher Komplexität. Dadurch kann der volle Dynamikbereich des Motors, zum Beispiel für schnelle Positioniervorgänge, ausgenutzt werden. Der Strom wird auch begrenzt, bevor die Wicklung überhitzt. Die benötigten Parameter werden mit dem „Motorauswahldialog“ der Motion Manager Software des Unternehmens an den Antriebsregler übermittelt.
Zusätzliche Informationen zur thermischen Integration in der Anwendung können in den in den Controllern hinterlegten Modellen zur weiteren Verbesserung verwendet werden. Wie gut ist der Motor gekühlt? Ist eine Leistungsbegrenzung aufgrund hoher Umgebungstemperaturen erforderlich? Wird ein Getriebe und Encoder verwendet? Mit solchen Zusatzinformationen kann die maximale Motorleistung auch zB bei einem in einer Klimakammer zyklisch arbeitenden Antrieb genutzt werden, indem der Motorcontroller die Umgebungstemperaturparameter der in den Modellen hinterlegten Klimakammersteuerung verfolgt. Gleiches gilt, wenn die Lastwechsel bekannt sind. Der Motor kann dann oft kleiner ausgelegt werden, was gerade beim Einsatz in mobilen Geräten von Vorteil ist.
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