Roboter links, Bild: Maxon Motor

Ein DCX-Motor mit einem GPX-Planetengetriebe. Bild: Maxon Motor

Eine der wesentlichen Anforderungen an Antriebe mobiler Roboter ist eine hohe Leistungsdichte. Bei Robotern meint dies in den meisten Fällen ein hohes Drehmoment auf möglichst kleinem Bauraum. Was die Drehzahl betrifft, genügen in der Robotik meist Drehzahlen von unter 1000 min-1, auch für schnelle Bewegungen. Gleichstrommotoren sind die erste Wahl, wenn es um eine hohe Leistungsdichte geht. Sie eignen sich wegen ihres hohen Anlaufmoments gut für Beschleunigungsaufgaben.

Hohe Leistungsdichte

Roboter rechts, Bild: Maxon Motor
Ein DCX-Motor mit einem GPX-Planetengetriebe. Bild: Maxon Motor

Typische Beispiele für solche DC-Motoren sind die eisenlosen Maxon-Motoren mit und ohne Bürsten. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Diese schnelldrehenden Motoren sind in der Regel lang und schmal, das Drehmoment ist eher gering. Um die in der Robotik geforderten hohen Drehmomente zu erreichen, werden sie mit Getrieben kombiniert. Wenn eine lineare Bewegung mit hoher Kraft gefordert wird, kann eine entsprechend gestaltete Mechanik mit hoher Untersetzung die Vorteile von schnelldrehenden Motoren noch immer ausspielen. Beispiele sind Spindeln mit kleiner Steigung oder Rollen und Räder mit kleinem Durchmesser.

Höhere Drehmomente lassen sich durch eine Erhöhung der Zahl der Magnetpole erreichen. Die EC-4pole-Motoren von Maxon sind ein erster Schritt in diese Richtung. Vielpolige bürstenlose Gleichstrommotoren sind oft mit einem genuteten Eisenkern ausgeführt. Sie geben die Leistung tendenziell bei einem höheren Drehmoment und einer tieferen Drehzahl ab.

Flachmotoren mit Außenläufer erzeugen die Kraft auf größtmöglichem Abstand zur Drehachse, was eine vergleichsweise hohe Drehmomentdichte ergibt. Das Trägheitsmoment des Rotors ist aber ebenfalls hoch, was die Dynamik einschränkt. Bürstenlose EC-Flachmotoren sind wegen ihrer konventionellen mehrzahnigen Wicklung mit Eisenkern und der Verwendung eines isotropen Permanentmagnetrings, der in einem Schritt magnetisiert wird, kostengünstig herstellbar. Die EC-i Motoren sind mehrpolige Innenläufer, was neben dem hohen Drehmoment auch eine kleine Massenträgheit ergibt. Als Resultat sind diese Motoren extrem dynamisch und weisen eine kleine mechanische Zeitkonstante von teilweise unter einer Millisekunde auf.

Hohe Polzahl, aber teuer

Pepper, Bild: Maxon Motor
„Robotikantriebe: Kleine Kraftpakete sind gefordert. Drei Aspekte sind für Motoren, die in Robotik Anwendungen eingesetzt werden, zentral: ein hoher Wirkungsgrad, eine hohe Dynamik und eine hohe Leistungsdichte.“ Bild: Maxon Motor

Beispiele für Motoren mit sehr hoher Polzahl sind Torque-Motoren: langsam drehende, drehmomentstarke Elektromotoren mit Hohlwelle. Oft frameless bestehen sie nur aus Rotor und Stator und werden in die Anwendung hineinkonstruiert. Weitere Elemente wie Getriebe, Riemen, Kupplungen oder Lagerungen können so eingespart werden. Diese spielfreien Direktantriebe kommen typischerweise in dynamischen Anwendungen mit steifer Regelung zum Einsatz. Linearantriebe sind ein Spezialfall. Torque-Motoren benötigen aufgrund der vielen Pole hohe Schaltfrequenzen. Die dabei entstehende Wärme muss gegebenenfalls über eine Wasserkühlung abgeführt werden. Torque-Motoren erfüllen zwar die Anforderungen bezüglich Drehmoment und Dynamik von mobilen Robotikanwendungen perfekt, die fehlende Standardisierung und die nötige Integration in die Konstruktion machen ihren Einsatz jedoch kostenintensiv. In Robotern werden deshalb bevorzugt die modularen flexiblen Motor-Getriebe-Kombinationen verwendet. Der Motortyp und die Bauform richten sich dabei nach den spezifischen Anforderungen an Leistung, Bauraum und – nicht zu vergessen – den Kosten.

Über das Unternehmen

Maxon Motor

  • Das schweizerische Unternehmen Maxon Motor wurde im Jahr 1961 gegründet und vertreibt seine Produkte in 40 Ländern weltweit.

  • Zu den Produkten zählen bürstenlose und bürstenbehaftete DC-Motoren, Planeten-, Stirnrad- und Spezialgetriebe, Sensoren, Encoder, Servoverstärker, Positioniersteuerungen, CIM- und MIM-Komponenten sowie kundenspezifische Antriebe und Systemlösungen.

  • Die Motoren des Unternehmens kommen in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz. So treiben sie beispielsweise die Nasa-Rover auf dem Mars an, wirken in humanoiden Robotern oder Geräten der Medizintechnik.

Eisenlose DC-Motoren und Getriebe

Zu den Nachteilen von eisenlosen DC-Motoren in Kombination mit Getrieben gehört ein geringerer Gesamtwirkungsgrad. Denn der Einsatz eines Getriebes kann den Gesamtwirkungsgrad verkleinern. Eine präzise Regelung ist aufgrund des Getriebespiels nur mit größerem Aufwand realisierbar, oder es wird ein teures spielfreies Getriebe verwendet. Je nach Einbausituation können lange, schmale Motor-Getriebe-Einheiten oder Flachmotoren vorteilhaft sein. Zu den Vorteilen gehört jedoch, dass kleinere Dimensionen möglich sind. Die DC-Motoren können mit hoher Spannung betrieben werden, die Ströme bleiben damit absolut gesehen kleiner. Die erforderlichen Kabelquerschnitte, Abschirmungen und Regler können kleiner dimensioniert werden, was Kosten, Gewicht und Bauraum spart. aru

Next Robotics - Tipps & Tricks für die professionelle Robotik!

Teaserbild Robotik

Next Robotics ist der neue Kanal rund um die Robotik für den professionellen Einsatz - für Industrie, Gewerbe und Handwerk. Hier finden Sie Tipps und Tricks, News, Erklärvideos und Tests rund um das Thema Roboter.

JETZT ABONNIEREN!