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Innovative Klein- und Mikroantriebstechnik

Bild 1. Funktionsmuster eines 20-poligen eisenlosen PM Synchronmotors

Bild 2. Miniaturisierte Servoantriebe

Bild 3. 8-poliger bürstenloser DC-Motor in Zahnspulentechnik mit Zwischenzähnen

Bild 4. Läufer eines Linearaktors

Im Mittelpunkt der 8. Fachtagung zum Thema „Innovative Klein- und Mikroantriebstechnik“ standen die Komponenten von mechatronischen Antriebssystemen sowie deren Zusammenwirken im mechatronischen System. Die vielen vorgestellten Produktentwicklungen spiegeln den Stand der Technik wider.

Die 8. Fachtagung zum Thema „Innovative Klein- und Mikroantriebstechnik“ gliederte sich in sechs Themenbereiche, deren Ergebnisse im folgenden zusammengefasst sind.

Permanentmagneterregte Servoantriebe
Permanentmagneterregte AC-Servoantriebe finden ihren Einsatz im weiten Bereich der Werkzeug- und Produktionsmaschinen. Mit dem Ziel einer schnellen Antriebsauswahl stellt die FH Hannover eine Projektierungsmethode für die Praxis vor, die allein auf den Antriebsparametern Positioniergenauigkeit, Effektivleistung sowie Maximaltaktrate basiert. In der Robotik und weiteren Applikationen ist es vorteilhaft, wenn Sensorik und Servoelektronik mit im Kleinservomotor integriert sind. Die Entwicklungssystematik für diese Systemintegration stellt Faulhaber am Beispiel eines 22-mm-Servomotors dar: vom mechanischen Aufbau und Elektronikdesign bis hin zur thermischen Systemsimulation und der experimentellen Erprobung.
Bei direkt in den Prozess in Form von Ständer- und Läuferaktivteilen integrierten Kleinantrieben, die zum Beispiel hauptsächlich im Teillastbereich arbeiten und bei denen Rastmomente störend sind, kann ein eisenloser PM-Synchronmotor eine Lösung darstellen. Von der TU Kaiserslautern stammt ein komplett eisenloser PM Synchronmotor auf der Basis des Doppelspulenaktors. Für ein 20-poliges Funktionsmuster (Bild 1), das in eine Kunststoffumgebung integriert werden kann, wird die Simulation des Betriebsverhaltens im direkten Vergleich zur experimentellen Erprobung vorgestellt.
Maxon verweist auf aktuelle Weiterentwicklungen bei High-speed-EC-Motoren mit Luftspaltwicklungen. Am Beispiel eines zweipoligen EC-Motors für Drehzahlen bis 90 000 min-1 wurden Wicklungsdesign in spezieller Litzentechnik, Besonderheiten der Lagerung für minimale Vibrationen und Erprobungsergebnisse präsentiert.

Mechatronische Antriebssysteme
Für den Hochdrehzahlbereich sind sogenannte lagerlose Motoren ein möglicher Lösungsansatz. Die TU Darmstadt beschreibt das Prinzip der Drehmoment- und Tragkrafterzeugung und stellt am Beispiel eines 500-W-Prototyps Motorentwurf und experimentelle Erprobung im direkten Vergleich zur Simulation dar.
Neben der Zeit ist die Qualität eine wesentliche Zielgröße jeder Entwicklung. Die TU Ilmenau zeigt am Beispiel eines elektromagnetischen Aktors, wie sensorische Eigenschaften des Aktors zur Ableitung von Qualitätsmerkmalen genutzt werden können. So sind produktionsbegleitende Kontrollen im Sinne von TQM einfach möglich.
Ein miniaturisierter Servoantrieb von Faulhaber basiert auf einem Penny-Motor mit integriertem Controller und kapazitivem Encoder. Der bürstenlose PM-Motor hat einen zur Polpaarzahl 4 passenden kapazitiven Encoder mit Sinusspur und die Integration erfolgte auf MID-Basis (Bild 2).
Kompakte und energieeffiziente Motor-Pumpeneinheiten beinhalten zunehmend PM-Synchronmotoren, die am Umrichter feldorientiert betrieben werden. Hydac stellt eine solche Pumpeneinheit am Beispiel einer Axialkolbenpumpe vor. Herzstück der Pumpeneinheit ist ein PM-Synchronmotor, dessen optimierte Ausführung in Zahnspulentechnik unter Berücksichtigung der Wirbelstromverluste im Magnetmaterial diskutiert wurde.

Antriebsregelung und Messsysteme
Die Funktionskontrolle von Magnetventilen ist notwendig zur Darstellung der Funktionssicherheit aber auch zum Nachweis der Einhaltung von Kundenprüfkriterien bei der Herstellung. Vom STZ Mechatronik Ilmenau stammt hierfür ein magnetisches Einspulenmessverfahren, das inhärente sensorische Eigenschaften des magnetischen Aktors nutzt.
Das Unternehmen Gefeg-Neckar beschreibt die Systementwicklung eines PM-Servomotors mit integrierter Betriebselektronik sowie die optionale Erweiterung um Getriebe, Bremse und Drehgeber. Der achtpolige bürstenlose DC-Motor für Blockkommutierung ist dabei in Zahnspulentechnik mit Zwischenzähnen (Bild 3) ausgeführt.
Die Messung von Winkel- bzw. Längenlage ist bei Positionierantrieben unerlässlich. Sensitec stellt für diese Aufgabe magnetoresistive Sensoren für rotatorische und lineare Antriebe mit aktiver sowie passiver Maßverkörperung vor. Alle Sensorvarianten wurden an konkreten Applikationen vorgestellt.
Bei feldorientiert betriebenen AC-Servomotoren besteht zur Steigerung der Ausfallsicherheit der Wunsch, auf die messtechnische Erfassung der Rotorlage verzichten zu können. Ein neues Verfahren der Universität Erlangen für kleinere Drehzahlen ab Stillstand funktioniert mithilfe eines HF-Testsignals unter Ausnutzung der magnetischen Vorzugsrichtungen von d- und q-Achse. Mit diesem neuen Verfahren kann ein entsprechend zugeschnittener AC-Servomotor an einem Standard-Servoumrichter sensorlos betrieben werden.

Piezoelektrische Antriebe und Schrittmotorantriebe
Die TU Darmstadt stellt einen neuartigen piezoelektrischen Rotationsantrieb auf Wimpernbasis vor. Der Motor besteht aus einem Innenstator, der von einem Piezo-Stack zu Rotationsschwingungen angeregt wird, sowie einem Rotorring aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Die gerichtete Faserstruktur der Wimpern führt zwischen Stator und Rotor zu einem anisotropen Reibzustand, der zu einer Drehbewegung des Rotors führt. Aufbau, Fertigung und Leistungsdaten des Wimpernantriebs wurden betrachtet.
Ein linearer Piezo-Schreitantrieb wird von der Physik Instrumente GmbH vorgestellt. Neben dem bekannten Schreitmechanismus wird ein zweiter Bewegungsmodus betrachtet, bei dem der Antrieb wie ein einfacher Biegewandler funktioniert und dabei die doppelte Steifigkeit aufweist. Der entwickelte Regelalgorithmus ermöglicht dem Controller, automatisch zwischen den beiden Bewegungsmodi zu wechseln.
Die Entwicklung eines rotatorischen Mikroreluktanzschrittmotors, der mit dünnfilmtechnischen Fertigungsverfahren hergestellt wird, zeigen die Leibniz Universität Hannover sowie die TU Braunschweig. Das präsentierte Konzept des als Außenläufer ausgeführten Mikroreluktanzschrittmotors schließt dessen Entwurf, Simulation und Fertigung ein.
Für Hybridschrittmotoren stellt die Leibniz Universität Hannover ein Berechnungsverfahren vor, das es ermöglicht, aus der analytischen Berechnung des magnetischen Kreises Aussagen über das Betriebsverhalten herzuleiten. Die Widerstände des magnetischen Ersatzschaltbildes werden dabei mittels einer 2D-FEM-Berechnung gewonnen. Diskutiert wurde das aufgestellte analytische Modell im Vergleich zu FEM-Simulationen und die Brauchbarkeit des aufgestellten Berechnungsverfahrens für die Praxis.

Innovative Direktantriebe
Bei PM-Lineardirektantrieben entstehen aus dem Zusammenwirken von PM-Erregung und Blechpaketkontur Rastkräfte, die zu störenden Schwankungen der Schubkraft führen. Die Universität Stuttgart zeigt durch systematische Isolierung der Einflussgrößen mittels FEM-Simulationen Möglichkeiten auf, wie störende Rastkräfte sowohl auslegungstechnisch als auch regelungstechnisch unterdrückt werden können.
Für Ein- und Mehrkoordinatenantriebe stellt ebenfalls die Universität Stuttgart einen neuen Gestaltungsansatz für eine aerostatische Führung vor, bei dem die aktiven Antriebs- und Luftführungskomponenten im Ständer integriert sind. Nach einer allgemeinen Darstellung von Konzept, Funktionsweise und Auslegung wurde das neue Konzept am Beispiel eines x-y-Antriebs diskutiert.
Endoskope stellen Basiselemente der minimal-invasiven Chirurgie dar. Die aktuelle Entwicklung verfolgt das Ziel, Linsen, Prismen und Bildaufnahmechips direkt in der Endoskopspitze durch Miniaturantriebe bewegen zu können. Die TU Berlin hat hierfür Linearaktoren (Bild 4) sowie eine miniaturisierte Blende entwickelt. Für drei Entwicklungsbeispiele wurden Aufbau, Funktion und praktische Umsetzung erläutert.

Entwurf und Simulation
Simulationsrechnungen sind unverzichtbarer Bestandteil jeder Produktentwicklung. Für die immer komplexer werdenden Simulationen ist es wichtig, eine Optimierung zur Reduzierung des Rechenaufwands zu finden. Von der TU Nowotscherkassk wurden hierzu Möglichkeiten zur effizienten Lösung von Gleichungssystemen sowie zur Konvergenzbeschleunigung nichtlinearer Systeme betrachtet.
Saia-Burgess stellt die Entwicklung bipolarer Miniaturhubmagnete für die Großserie vor. Der systematische Produktentwurf, der unter anderem die Variantenfindung, Machbarkeitsstudien, Konzeptwahl, Erprobung im direkten Vergleich zur Simulation und Weiteroptimierung hinsichtlich Leistungs- und Fertigungsfähigkeit beinhaltete, wurde geschlossen dargestellt.

Fazit
Auch die 8. Fachtagung im September letzen Jahres in Würzburg vermittelte den insgesamt 100 Tagungsteilnehmern wieder einen guten Überblick über aktuelle Vorfeldthemen und Produktentwicklungen auf dem Gebiet der Klein- und Mikroantriebstechnik. Die alle drei Jahre stattfindende Fachtagung bot ein wichtiges Podium zum Meinungsaustausch zwischen Herstellern, Anwendern und Hochschulen.

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Autor: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Huth von der TU Kaiserslautern ist Mitglied im FB A1 Elektrische Maschinen und Antriebe, Mechatronik“ und wissenschaftlicher Tagungsleiter.