Bürstenlose DC-Kleinstmotoren mit hohem Drehmoment:

Wickeltechnik für mehr Leistung

Der kompakte DC-Kleinstmotor liefert bei nur 22 mm Durchmesser, 64 mm Länge und einem Gewicht von 140 g ein Drehmoment von 59 mNm. Bild: FAULHABER

Viele Anwendungen erfordern möglichst kleine, aber dennoch leistungsstarke Antriebe, die hohe Drehmomente liefern und wenig Einbauplatz benötigen. Dazu zählen beispielsweise viele optische Systeme, messtechnische Geräte, automatisierte Lösungen in der Halbleiterfertigung und industriellen Produktion, aber auch elektrische Schraubendreher, Astscheren oder chirurgische Instrumente. Dank neuer Wickeltechnik haben jetzt auch Motoren mit nur 22 mm Durchmesser ausreichend Drehmoment für solche Anwendungen.

Der große Bruder des DC-Kleinstmotors liefert bei 32 mm Durchmesser und 74 mm Länge ein Dauerdrehmoment von 165 mNm. Mit knapp 320 g bringt er dabei weniger als die Hälfte an Gewicht auf die Waage als herkömmliche Motoren mit vergleichbarem Leistungsvermögen. Bild: FAULHABER

Der große Bruder des DC-Kleinstmotors liefert bei 32 mm Durchmesser und 74 mm Länge ein Dauerdrehmoment von 165 mNm. Mit knapp 320 g bringt er dabei weniger als die Hälfte an Gewicht auf die Waage als herkömmliche Motoren mit vergleichbarem Leistungsvermögen.

Kleine, leichte Motoren, die hohe Leistung bringen, sind an sich nicht neu; bereits vor etwa zwei Jahren hat der Antriebsspezialist FAULHABER mit der Entwicklung der Serie 3274 BP4 hier neue Maßstäbe gesetzt. Der bürstenlose DC-Servomotor mit 32 mm Durchmesser und 74 mm Länge hat ein Dauerdrehmoment von beachtlichen 165 mNm. Mit knapp 320 g bringt er dabei weniger als die Hälfte an Gewicht auf die Waage als herkömmliche Motoren mit vergleichbarem Leistungsvermögen und eignet sich für Anwendungen, in denen es auf hohe Leistung und dynamischen Start-/Stopp-Betrieb bei möglichst geringem Gesamtgewicht ankommt, wie beispielsweise in Gelenkantrieben von humanoiden Robotern, elektrischen Greifern oder Hochleistungsfahrantrieben für die Inspektionsrobotik. Die Entwicklung ist aber keineswegs stehengeblieben: Das leistungsstarke Leichtgewicht hat jetzt einen kleinen Bruder bekommen. Der neue DC-Kleinstantrieb 2264 BP4 erreicht ein maximales Drehmoment von 59 mNm, bei nur 140 g Gewicht und einem Durchmesser von 22 mm. Außerdem sind Drehzahlen bis zu 34.000 Umdrehungen in der Minute möglich.

Segmentwicklung erhöht den Kupferanteil

Anne Schilling, Produktmanagerin bei FAULHABER: „Der DC-Kleinstmotor ist eine passende Antriebslösung für praktisch alle Anwendungen, bei denen es eng zugeht oder das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, aber zugleich viel Drehmoment benötigt wird.“ Bild: FAULHABER

Anne Schilling, Produktmanagerin bei FAULHABER: „Der DC-Kleinstmotor ist eine passende Antriebslösung für praktisch alle Anwendungen, bei denen es eng zugeht oder das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, aber zugleich viel Drehmoment benötigt wird.“

Der Grund für diese Leistungsstärke und zugleich das Herzstück bei beiden Motoren ist die neuartige Segment-Wicklung der Spule. „Seit 1947 mit der FAULHABER Wicklung die Geschichte der modernen Kleinstmotoren begann, gehört die Wickeltechnik zu unserer Kernkompetenz“, erläutert Anne Schilling, die Produktmanagerin. Mit der neuen Segmentwicklung, die für die bürstenlosen DC-Motoren der Familie BP4 entwickelt wurde, setzen die Antriebsspezialisten diese Tradition fort. „Wir haben aber nicht nur die Wicklung entwickelt, sondern beherrschen auch die dazugehörige Fertigungstechnik“, ergänzt Anne Schilling.

Einzeln gewickelte Segmente werden überlappend ineinander gesteckt. Dadurch lässt sich in der Spule eine besonders große Menge Kupfer unterbringen. Der hohe Kupferanteil steigert die Leistungsfähigkeit des Motors. Weitere erwünschte Nebeneffekte dieses Spulenaufbaus sind eine hohe Wicklungssymmetrie mit minimalen Stromverlusten und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad. Bild: FAULHABER

Einzeln gewickelte Segmente werden überlappend ineinander gesteckt. Dadurch lässt sich in der Spule eine besonders große Menge Kupfer unterbringen. Der hohe Kupferanteil steigert die Leistungsfähigkeit des Motors. Weitere erwünschte Nebeneffekte dieses Spulenaufbaus sind eine hohe Wicklungssymmetrie mit minimalen Stromverlusten und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad.

Dabei ist der Aufbau der neuen, zum Patent angemeldeten Wicklung einfach zu verstehen: Einzeln gewickelte Segmente werden überlappend ineinander gesteckt. Dadurch lässt sich in der Spule eine besonders große Menge Kupfer unterbringen. Der hohe Kupferanteil steigert die Leistungsfähigkeit des Motors. Weitere erwünschte Nebeneffekte dieses Spulenaufbaus sind eine hohe Wicklungssymmetrie mit minimalen Stromverlusten und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad. Durch die kompakte Spule lässt sich außerdem eine belastbare Welle mit 4 mm Durchmesser und passender Lagerung verbauen. „Damit kann der kleine Motor ohne weiteres auch als Direktantrieb dienen, etwa in Handstücken motorisierter Werkzeuge“, erklärt Anne Schilling. Der vierpolige Motor weist zudem ein geringes Trägheitsmoment auf und ist deshalb auch gut für den dynamischen Start-/Stopp-Betrieb geeignet.

Sensorik platzsparend integriert

Die Sensoren für die Positionsbestimmung lassen sich ebenfalls wirtschaftlich und platzsparend integrieren. Analoge Hallsensoren, die es als Option gibt, benötigen keinen zusätzlichen Bauraum. Sie bestimmen die Position der Welle sehr genau und können in den meisten Fällen einen Encoder ersetzen. Dadurch sind besonders leichte und kompakte Antriebslösungen realisierbar. Sollte doch mehr Präzision gefordert sein, etwa bei optischen Systemen, in Messsystemen oder in der Halbleiterfertigung, stehen kompatible optische und magnetische Encoder zur Verfügung. Sie lassen sich ganz einfach am hinteren Multifunktionsflansch des Motors befestigen.

Ebenso wie sein großer Bruder ist auch der neue Kleinstantrieb überlastfähig. Er arbeitet ohne verschleißanfällige mechanische Kommutierung und erreicht deshalb im Vergleich zum herkömmlichen DC-Kleinstmotor eine deutlich höhere Lebensdauer. Für viele Anwendungen interessant ist auch der große Temperaturbereich von -40 bis +125 Grad Celsius, in dem der Motor eingesetzt werden kann.

Breites Anwendungsspektrum

„Mit diesen Eigenschaften ist der neue DC-Kleinstmotor eine passende Antriebslösung für praktisch alle Anwendungen, bei denen es eng zugeht oder das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt, aber zugleich viel Drehmoment benötigt wird“, findet Anne Schilling. Die beiden wichtigsten Einsatzgebiete sieht sie bei Handstücken von elektrischen Werkzeugen und in der industriellen Automation. „Bei elektrischen Astscheren, elektrischen Schraubendrehern oder bei motorisierten Instrumenten für die Chirurgie arbeiten die Anwender oft viele Stunden mit ihren Geräten. Es zählt also jedes Gramm, das gehalten und bewegt werden muss. Zugleich sollen die Werkzeuge schnell, stark und effektiv sein, müssen also auf den Punkt Höchstleistungen erbringen, damit jeder Arbeitsgang ohne Nachsetzen abgeschlossen werden kann.“

Ganz ähnliche Anforderungen gelten – zumindest im Hinblick auf das Größe-Drehmoment-Verhältnis – in vielen Bereichen der Fabrikautomation, etwa bei Greifern oder Robotern, bei mobilen Robotern wie zum Beispiel Kanalrobotern, in der Luftfahrt bei der Kabinenausstattung oder bei aktiven Prothesen, welche die Funktion fehlender Gliedmaßen immer umfassender übernehmen können. Mit passenden Präzisionsgetrieben lässt sich der DC-Kleinstantrieb für praktisch jede Aufgabenstellung passend konfigurieren.

Über FAULHABER
FAULHABER ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu etwa 250 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 Marke FAULHABER gilt 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 224 mNm Dauerdrehmoment bis zum filigranen Mikroantrieb mit 1,9 Millimetern 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 für Sonderausführungen eingehen zu können.

Alle Bilder: FAULHABER

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Dipl Ing. (BA) Andreas Seegen

Leiter Marketing bei FAULHABER

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.

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