Neues Antriebskonzept für eine Mikrozahnringpumpe:

ATEX-Motor mit integrierter Steuerung

Die Ummantelung ermöglicht die ATEX-Zertifizierung. Bild: Mattke

Es gibt viele Bereiche, die nach anwendungsspezifischen Antrieben verlangen. Oft bieten dann zuverlässige DC-Kleinstmotoren und Motion Controller als Basiskomponenten gute Voraussetzungen für maßgeschneiderte Lösungen. Druckfest gekapselt eignen sie sich sogar für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, z.B. als Antrieb für Mikrozahnringpumpen, die in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden und sich auch schon bei der Trinkwasseraufbereitung bewährt haben.

So unterschiedlich wie die Anwendungen sind die Anforderungen, die kleine DC-Motoren heute erfüllen müssen. Dabei kommt es bei der Auswahl eines passenden Antriebs keineswegs nur auf benötigtes Drehmoment oder die Drehzahl an. Eine nicht zu unterschätzende Rolle spielen Abmessungen, Umgebungsbedingungen, dynamische Anforderungen und der Energieverbrauch. Der Antriebsspezialist FAULHABER hat deshalb DC-Klein- und Kleinstmotoren in den unterschiedlichsten Baugrößen und Varianten im Programm, angefangen von grafit- und edelmetallkommutierten Ausführungen bis hin zu bürstenlosen, elektronisch kommutierten DC-Kleinmotoren. Basierend auf den Standardprodukten lassen sich dann auch kundenspezifische Lösungen in kurzer Zeit realisierten, zumal die Motoren mit unterschiedlichen Präzisionsgetrieben, hochauflösenden Inkremental- oder Absolut-Encodern sowie leistungsfähigen Speed- und Motion-Controllern kombinierbar sind.

Bewährtes kann verbessert werden

Anlagen der chemischen Verfahrenstechnik erfordern einen zertifizierten Explosionsschutz. Bild: FAULHABER

Anlagen der chemischen Verfahrenstechnik erfordern einen zertifizierten Explosionsschutz.
Bild: FAULHABER

Ein Beispiel dafür liefert eine kundenspezifische Antriebsentwicklung der Mattke AG, Freiburg. Dabei kooperierten die Freiburger Mechatronikspezialisten eng mit den Antriebsexperten aus Schönaich, um ein ex-geschütztes Antriebssystem – bestehend aus DC-Servomotor und Motion Controller – für eine Mikrozahnringpumpe zu entwickeln. Hier kam als dritter Partner der Pumpenspezialist HNP Mikrosysteme GmbH, Schwerin, ins Spiel. Das Unternehmen ist spezialisiert auf die Entwicklung und Herstellung von Mikrozahnringpumpen zur hochpräzisen Dosierung und Förderung kleinster Mengen niedrig- bis hochviskoser Flüssigkeiten und war nun an einer Weiterentwicklung interessiert.

Die Pumpe, für die eine neue Antriebslösung gewünscht wurde, wird vorwiegend in verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt. Ihr Design und damit auch der Bauraum für den Antrieb war bereits vorgegeben. Durch den neuen ATEX-Motor mit integrierter Steuerung sollten nun diese, bereits im vielfachen Einsatz bewährten Pumpen noch leistungsfähiger und besser ansteuerbar werden; außerdem wollte man den benötigten Einbauraum verringern, also möglichst die bisher externen Regelkomponenten einsparen. Eine integrierte Lösung war deshalb erforderlich.

Standardkomponenten als Basis

Bürstenloser DC-Servomotor mit 68 mm Länge, 32 mm Durchmesser und einem Drehmoment von 96 mNm. Basierend auf solchen Standardprodukten lassen sich auch kundenspezifische Lösungen in kurzer Zeit realisierten. Bild: FAULHABER

Bürstenloser DC-Servomotor mit 68 mm Länge, 32 mm Durchmesser und einem Drehmoment von 96 mNm. Basierend auf solchen Standardprodukten lassen sich auch kundenspezifische Lösungen in kurzer Zeit realisierten.
Bild: FAULHABER

Grundlage für ihre Entwicklung bildete schließlich ein bürstenloser DC-Servomotor der Baureihe 3268BX4. Für diese Auswahl sprachen gleich mehrere Argumente: So verleiht die Vierpoltechnologie diesen Antrieben trotz der mit 32 mm Durchmesser und 68 mm Länge kompakten Abmessungen ein hohes Dauerdrehmoment von 96 mNm bei ruhigen Laufeigenschaften und geringem Geräuschpegel. Der modulare Aufbau ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher Rotorkonzepte, über die sich eine optimale Anpassung des Drehmoments bei hohem oder niedrigen Drehzahlniveau realisieren lassen.

Motion Controller mit RS232- oder CANopen-Schnittstelle. Bild: FAULHABER

Motion Controller mit RS232- oder CANopen-Schnittstelle.
Bild: FAULHABER

Durch die elektronische Kommutierung ist die Lebensdauer im Vergleich zu mechanisch kommutierten Motoren um ein Vielfaches höher und dank der eingesetzten Hallsensoren können auch ohne zusätzlichen Encoder Drehzahlen bis ca. 3000 U/min stabil geregelt werden. Das flexible Motorkonzept bietet zudem die Möglichkeit die Motoren mit unterschiedlichen Motion Controllern zu kombinieren. In der beschriebenen Pumpenanwendung wurde der DC-Servomotor z.B. mit einem Controller der Serie MCBL 3003 ergänzt, der über eine CANopen- oder RS232-Schnittstelle angesteuert wird.

Ummantlung für die ATEX-Zulassung

In der druckfesten Kapselung sind DC-Servomotor und Motion Controller integriert. Bild: Mattke

In der druckfesten Kapselung sind DC-Servomotor und Motion Controller integriert.
Bild: Mattke

Für diese Kombination entwickelten die Mattke-Ingenieure ein druckfest gekapseltes Gehäuse, das es bisher in dieser Form am Markt noch nicht gab. Motion Controller und Motor sind dabei in einer speziellen Aufnahmevorrichtung eingebettet, die ihrerseits in einem vorn und hinten verschlossenen Metallrohr untergebracht ist. Dadurch sind keine umständlichen Ex-Schutzvorkehrungen für die sensible Elektronik des Servoreglers oder den Motor mehr notwendig. Außerdem werden so Signalverluste und Störungen vermieden, die durch lange Zuleitungen entstehen, wenn die Elektronik vom Motor getrennt außerhalb des Ex-Bereichs platziert werden muss. Das erleichtert sowohl dem Pumpenhersteller als auch dem Anwender das Leben, denn die, für die Pumpen meist vorgeschriebene, ATEX-Zertifizierung ist durch die Ummantelung des Antriebs keine Hürde mehr. Anwendungsbereiche für den integrierten ATEX-Pumpenantrieb finden sich überall in der Verfahrenstechnik. So wurde der neue Antrieb gleich nach Fertigstellung in einer hermetisch inerten Mikrozahnringpumpe von HNP verbaut, die in einer Wasseraufbereitungsanlage Bleichlauge fördert. Diese konzentrierte, wässrige Lösung aus NaOCL wirkt hier als selektives Oxidations- und Desinfektionsmittel. Die Pumpe ermöglicht einen Volumenstrom von 0,48 ml/min bis 240 ml/min sowie Differenzdrücke von 0 bis 10 bar.

Über Faulhaber
Die FAULHABER-Gruppe mit ihren 1.900 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 GROUP gelten weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Fabrikautomation, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom leistungsstarken DC-Motor mit 200 mNm Dauerdrehmoment bis zum filigranen Mikroantrieb mit 1,9 mm Außendurchmesser umfasst das FAULHABER Standardportfolio mehr als 25 Millionen Möglichkeiten, ein optimales Antriebssystem für eine Anwendung zusammenzustellen. Dieser Technologiebaukasten ist zugleich die Basis für Modifikationen, um auf besondere Kundenwünsche hinsichtlich Sonderausführungen eingehen zu können.

Mattke – Elektronik und Mechanik aus einer Hand
Die Mattke AG ist ein mittelständisches Unternehmen, das seit seiner Gründung im Jahre 1965 in Freiburg im Breisgau dem Standort Baden und Deutschland verbunden ist. Elektronik und Mechanik aus einer Hand lautet das Motto, das das Unternehmen seit 50 Jahren zum Erfolg führt und weltweit für zufriedene Kunden sorgt. Fast alle Automatisierungsaufgaben, von der einfachen Drehzahlregelung bis hin zur hochpräzisen Positionierung mit Linearantrieben lassen sich mit dem Lieferprogramm lösen, das eines der umfangreichsten in der Industrie ist. Die Spezialität der Freiburger Antriebsspezialisten sind innovative Projekte, die Hand in Hand mit dem Kunden entstehen. Sonderanfertigungen und Änderungen bestehender Systeme gehören dabei zum Alltag. Was nicht standardmäßig verfügbar ist, wird auf Wunsch von Mechanikern, Elektronik- oder Softwareingenieuren im Hause entwickelt oder kann aus dem Partnerprogramm bereitgestellt werden. Wo Standardkomponenten nicht mehr ausreichen, werden Sonderlösungen vom Steuerungs- und Schaltschrankbau bis hin zum Vorrichtungs-, Apparate- und Sondermaschinenbau angeboten.

Titelbild: Mattke

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

Alex Homburg

Alex Homburg

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