(Bild: DC Klein-und-Kleinstmotoren - Faulhaber)
So unterschiedlich wie die Anwendungen sind die Anforderungen, die kleine DC-Motoren erfüllen müssen. Es kommt bei der Auswahl eines passenden Antriebs keineswegs nur auf benötigtes Drehmoment oder die Drehzahl an. Eine wichtige Rolle spielen – vor allem bei hoher Integrationsdichte in der Maschine – die Abmessungen und die Umgebungsbedingungen, unter denen die miniaturisierten Antriebe arbeiten. Hinzu kommen die dynamischen Anforderungen der jeweiligen Applikation oder spezielle Wünsche nach einem möglichst geringen Energieverbrauch. Letzteres kann zum Beispiel beim Einsatz in akku- oder batteriebetriebenen mobilen Geräten ein entscheidendes Kriterium sein. Wie in vielen anderen Bereichen gibt es deshalb auch bei miniaturisierten DC-Motoren keine eierlegende Wollmilchsau.
Deshalb gibt es DC-Klein- und Kleinstmotoren in den unterschiedlichsten Baugrößen und Varianten, angefangen von grafit- und edelmetallkommutierten Ausführungen bis hin zu bürstenlosen, elektronisch kommutierten DC-Kleinmotoren. Basierend auf den Standardprodukten lassen sich zudem kundenspezifische Lösungen in kurzer Zeit realisieren. Spezielle Anschlüsse, Fette, Flansch, Welle oder die Auslegung auf einen bestimmten Arbeitspunkt – alle Baureihen lassen sich vielfältig und unkompliziert modifizieren.
Außerdem lassen sich die DC-Motoren mit unterschiedlichen Präzisionsgetrieben, hochauflösenden Inkremental- oder Absolut-Encodern sowie leistungsfähigen Speed- und Motion-Controllern kombinieren. Für nahezu jede Anwendung lässt sich so eine maßgeschneiderte Antriebslösung finden.
Bild: Rotorspule mit Schrägwicklung – Faulhaber
Freitragende eisenlose Rotorspulen
Herzstück der mechanisch kommutierten DC-Klein- und Kleinstmotoren ist die von Dr. Fritz Faulhaber Senior entwickelte und 1958 patentierte freitragende kernlose (oder eisenlose) Rotorspule mit Schrägwicklung, die um einen ruhenden Magneten rotiert. Wegen seines Aussehens wird dieser Motortyp gerne auch als Glockenanker-Motor bezeichnet. Auf jeden Fall bringt das Konstruktionsprinzip für die Praxis gleich mehrere Vorteile. Aufgrund des symmetrischen Luftspalts kann sich kein Rastmoment bilden, was einen präzisen Positionierbetrieb und eine sehr gute Drehzahlregelung ermöglicht.
Das Verhalten von Last zu Drehzahl, Strom zu Drehmoment und Spannung zu Drehzahl ist linear. Da fast der gesamte Motordurchmesser für die Wicklung genutzt werden kann, erreichen die Motoren im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen. Gleichzeitig garantiert das geringe Trägheitsmoment des Rotors eine besonders gute Dynamik beim Start- und Stoppbetrieb. Hohe Wirkungsgrade sind ein weiterer Vorteil der Glockenanker-Motoren. Sie müssen nicht geblecht ausgeführt werden. Da sie keine Eisenteile enthalten, die sich gegenüber dem Erregerfeld bewegen, ist diese Motorbauart frei von Eisenverlusten.
Unterschiedliche Kommutierungssysteme
Die DC-Kleinstmotoren gibt es mit unterschiedlichen Kommutierungssystemen: Edelmetallkommutierung und Grafitkommutierung. Der Begriff Edelmetallkommutierung bezieht sich auf die in den Bürsten und im Kommutator verwendeten Materialien, die aus Hochleistungs-Edelmetalllegierungen bestehen. Diese Art des Kommutierungssystems wird hauptsächlich aufgrund seiner geringen Größe, des sehr niedrigen Übergangswiderstandes und des präzisen Kommutierungssignals verwendet. Es eignet sich besonders für Anwendungen mit kleiner Strombelastung, wie beispielsweise batteriebetriebene Geräte. Dabei haben edelmetallkommutierte Motoren ihren optimalen Arbeitspunkt für Dauerbetrieb bei Last am Punkt oder nahe ihres höchsten Wirkungsgrades.
Ein schönes Beispiel für den Einsatz solcher Motorausführungen findet sich in der Robotik: Die neue ‚Education Robot Plattform‘ der NTB Interstaatlichen Hochschule für Technik in Buchs (CH) ermöglicht Eigenentwicklungen im Bereich der Robotersteuerung, die auch gleich mit einem leistungsfähigen, aber dennoch preiswerten Roboter getestet werden können. Treibende Kraft dieses Delta-Roboters sind edelmetallkommutierte DC-Kleinstmotoren.
Bild: Bionische Handprothese – Faulhaber
Die hier gewählte Ausführung ist bei 15 mm Durchmesser lediglich 24 mm lang, baut also sehr kompakt, wiegt wenig und benötigt nur geringen Einbauraum. Sie wurde mit einem nahezu spielfreien Stirnradgetriebe (76:1) kombiniert, das den gleichen Durchmesser wie der Motor hat. Trotz dieser kleinen Abmessungen schafft die kompakte Motor-Getriebe-Einheit ein Dauerdrehmoment von 0,2 Nm und ein Spitzenmoment von 0,3 Nm, dank dessen der kleine Roboter eine Kontaktkraft von beachtlichen 6 N aufbringen kann. Die kompakten Antriebslösungen erschließen natürlich auch in anderen Anwendungen interessante Möglichkeiten, zum Beispiel in der Prothetik oder in Tätowiermaschinen.
Ähnlich vielseitig sind grafitkommutierte DC-Kleinstmotoren. Der Begriff bezieht sich auf das verwendete Bürstenmaterial in Kombination mit einem Kommutator aus einer Kupferlegierung. Dieses Kommutierungssystem ist sehr robust und eignet sich besonders für dynamische Hochleistungsapplikationen mit schnellem Start-/Stoppbetrieb oder periodischen Überlastbedingungen. Typische Anwendungsbereiche sind beispielsweise in der Robotik zu finden.
Bürstenlose DC-Kleinmotoren
Sowohl bei grafit- als auch bei edelmetallkommutierten DC-Motoren ist das Kommutierungssystem einem gewissen elektrischen (Funkenbildung) und mechanischem (Abrieb) Verschleiß unterworfen. Die Lebensdauer dieser Kleinstantriebe liegt aber unter typischen Lastbedingungen doch zwischen 1 000 und 5 000 Betriebsstunden, was für zahlreiche Anwendungen mehr als ausreichend ist. Für Hochleistungs-Servoanwendungen mit häufigen Überlastbedingungen sowie Dauerbetrieb mit hohen Anforderungen an die Lebensdauer sind allerdings elektronisch kommutierte – also bürstenlose – DC-Kleinstmotoren die bessere Wahl, denn ihre Lebensdauer kann die mechanisch kommutierter Ausführungen um ein Vielfaches übertreffen.
Typische Einsatzbereiche sind die Gelenkantriebe von humanoiden Robotern, elektrische Greifer in der Prozessautomatisierung oder Anwendungen in der Flugzeugtechnik. So wird die Fensterblende in der Business Class des Airbus A319 von solchen bürstenlosen Motoren bewegt. Bei einem Durchmesser von 32 mm ist er lediglich 44 mm lang, Trotz dieser kompakten Abmessungen kann er ein hohes Dauerdrehmoment von bis zu 36 mNm erzeugen, bei ruhigen Laufeigenschaften und niedrigem Geräuschpegel.
Autoren: Andreas Seegen (Faulhaber), Ellen-Christine Reiff und Kathrin Irmer
Checkliste für den Einkauf von DC-Kleinstmotoren
 | Welche Anforderungen stellt die Anwendung hinsichtlich Leistung, Drehzahl und Drehmoment? |
| Wie viel Einbauraum steht zur Verfügung? |
| Welche Umgebungsbedingungen herrschen am Einbauort? |
| Verlangt die Anwendung eine hohe Dynamik oder eher einen ruhigen Dauerläufer? |
| Ist kurzzeitig mit Überlast zu rechnen? |
| Wie hoch ist der Energieverbrauch? (Das ist bei Akku- oder Batteriebetrieb besonders wichtig.) |
| Sind weitere Komponenten wie Präzisionsgetriebe, Encoder oder Speed- und Motion-Controller notwendig? |
| Sind anwendungsspezifische Anpassungen erforderlich? |
Drei Fragen an Hartmut Ratke, Hartmut Ratke, MT.DERM GmbH
Für welche Anwendungen kaufen Sie DC-Kleinstmotoren ein?
DC-Kleinstmotoren werden von uns als hoch präzise und laufruhige Antriebe in unseren Tattoomaschinen und kosmetischen und medizinischen Stechgeräten eingesetzt. Darüber verwenden wir sie im Bereich der Forschung beim Aufbau von Prototypen und Testständen sowie in der Produktion im Vorrichtungsbau für die Automatisierung.
Was muss aus Ihrer Sicht dabei besonders beachtet werden?
Besondere Eigenschaften sind eine hohe Leistungsdichte bei großem Anhalte- und Drehmoment sowie die Laufruhe. Eine zuverlässig hohe Lebensdauer und stabile Qualität sind weitere herausragende Punkte, die wir von diesen essenziellen Komponenten fordern.
Welche Servicequalitäten Ihres Lieferanten sind für Sie wichtig?
Freundliche und technisch fundierte Beratung sind beispielsweise für die ständige Verbesserung unserer Produkte und Neuentwicklung seitens R&D genauso notwendig wie die Individualisierung und unkomplizierte Musterabwicklung. Für unser tägliches Geschäft sind eine allzeitige Produktverfügbarkeit, kurze Reaktions- und Lieferzeiten, persönliche Erreichbarkeit und schließlich ein vernünftiges Preis-Leistungs-Verhältnis die Kernzutaten für unsere Kundenzufriedenheit.
Einkaufsführer in Zusammenarbeit mit Faulhaber:
Die Faulhaber-Gruppe mit ihren 1 500 Mitarbeitern ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu 200 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marken der Faulhaber-Gruppe gelten weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Bestückungsautomaten, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom Mikroantrieb mit 1,9 mm Durchmesser bis zum leistungsstarken 44-mm-DC-Kleinstmotor kombinierbar mit verschiedenen Präzisionsgetrieben bietet das Unternehmen zuverlässige Systemlösungen für eine Vielzahl von Anwendungen.