Hohe Funktionsdichte bei kompakter Bauform und extremer Zuverlässigkeit, das sind Anforderungen, die in zahlreichen Industriezweigen an erster Stelle stehen. Das gilt auch für Motoren.
Autor: Nicole Hillmayr, Agentur mediaword
Nicht nur ganze Maschinen, auch Komponenten und Bauteile müssen heute immer leistungsfähiger sein. Produkte der Firma Sonceboz passen sich diesem Trend zu immer robusteren, schnelleren, kleineren und besseren Antrieben an.
Zum Beispiel gelang es den Elektromotor-Spezialisten aus der Schweiz, einen bürstenlosen Torque-Motor mit einer sehr hohen Drehmoment-Dichte bei gleichzeitig geringer Baugröße und großer Widerstandsfähigkeit für vielfältige Einsatzgebiete zu entwickeln.
Sonceboz entwickelt und produziert bereits seit 1936 elektromagnetische Antriebe und mechatronische Antriebssysteme für verschiedenste Einsatzgebiete. Durch die hundertprozentige Tochterfirma MMT (Moving Magnet Technologies) ist Sonceboz in der Lage, ständig verbesserte Antriebe auf den Markt zu bringen.
So auch die letzte Generation des Torque-Motors, der sich bereits in zahlreichen Anwendungen hat und jetzt verbessert wurde. So konnte bei der neuesten Generation eine außerordentlich hohe Drehmoment-Dichte erreicht werden, die bei den bestehenden technischen Voraussetzungen im Bereich elektromagnetischer Antriebe nach Herstellerangaben kaum zu toppen ist.
Die Vorteile des Sonceboz-Torque-Motors bestehen in seinem hohen Drehmoment im Verhältnis zur Masse. So lassen sich Gewicht und Baugröße klein halten, der Einbau wird damit vereinfacht. Zudem ist das Drehmoment so dimensioniert, dass kurzfristig der Nennwert deutlich überschritten werden darf.
Die Regelung erfolgt durch herkömmliche Methoden, da der Strom proportional zum Drehmoment ist. Zudem benötigt der Kunde hier nur wenig Haltestrom, da die manchmal erforderliche Rückstell-Feder durch das niedere Rastmoment sehr klein ausfallen kann. Der Torque-Motor arbeitet mit einem Permanent-Magneten am Rotor bürstenlos und somit reibungslos und praktisch verschleißfrei.
Das Torque-Motor-Prinzip von Sonceboz
Ein Torque-Motor ist ein Drehantrieb ohne Getriebe und arbeitet damit zuverlässig und wartungsfrei. Der Sonceboz-Torque-Motor besteht aus einem ferromagnetischen Stator mit Spulen und einem Rotor mit Dauermagnet. Der Rotor bewegt sich über einen Winkelbereich von 75°.
Dabei erzeugt die Wechselwirkung zwischen dem Magneten am Rotor und dem Elektromagneten am Stator ein Drehmoment, dessen Richtung von der in die Elektromagnete eingespeisten Strompolarität abhängig ist. Der Stator hat dazu vier ferromagnetische Pole, die mit Spulen in wechselnder Richtung gewickelt sind.
Durch einen Pol-Wechsel der anliegenden Spannung ändert sich die Anordnung. Diesen Polen gegenüber liegt auf dem Rotor, getrennt durch einen Luftspalt, eine Permanentmagnet-Scheibe, die wiederum kreisförmig angeordnete Pole in genau entgegengesetzter Reihenfolge enthält.
Wird der Stator bestromt, entsteht ein Kraftfeld aus der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischem und dauermagnetischem Feld. Die Anordnung der Spulen auf dem Stator minimiert hier die Gefahr von Verschleiß und Störfeldern, da so kein Strom auf den Rotor übertragen wird.
Damit ist eine Position, und zwar an jeder beliebige Stelle, durch die proportionale Regelung des Stroms exakt ansteuerbar. Sind Antriebs-Drehmoment und alle Widerstands-Drehmomente der Anwendung im Gleichgewicht, bleibt der Rotor in dieser Position stehen.
Hohe Drehmoment-Dichte bei kompakter Größe
Verbessert hat Sonceboz den Antrieb nun durch ein hohes Drehmoment. Möglich wird dies durch die Optimierung der einzelnen Komponenten, die den magnetischen Kreis darstellen. Sie ist ausschlaggebend für eine Steigerung der Leistungsfähigkeit durch hohe magnetische Energiedichte, ohne die kompakte Bauform oder das geringe Gewicht zu beeinflussen.
So hat der Hersteller seine Torque-Motoren-Vielfalt auf acht Größen bei flexibler Drehmomentdichte erweitert. Kunden können zwischen einer Drehmomentdichte von 0,3 bis über 4,7 Nm bei 12 V wählen – noch höher bei 24 V. Ins kompakte Antriebs-Design ist ein Positionssensor auf Basis eines berührungslosen magnetischen Prinzips integriert.
Sonceboz brachte dafür einen Permanentmagneten am Rotorjoch an. Zugleich wurde ein Hall-Effekt-ASIC auf der Leiterplatte der Sensorfläche montiert. Dabei erfasst der ASIC die Richtung, die vom Sensormagneten erzeugt wird und ermittelt durch Drehung des Rotors den Stellwinkel.
Der komplette Sensor wandelt die Position mithilfe von magnetischer Induktion in analoge Spannung um. Ein A/D-Wandler in der Steuerung tastet das Spannungssignal ab und regelt durch einen ständigen Soll-Ist-Vergleich die Soll-Position über den Leistungsregler.
Die Regelung erfolgt durch eine herkömmliche PI-Regelung mit Versorgung durch eine Standard-H-Brücke für bidirektionale Bestätigung oder einen einfachen Transistor, falls die Rückstellung über eine Feder erfolgt. Steuerung und Antrieb arbeiten so bei Bordspannung. Der Sensor benötigt 5 V.
Anwendungsmöglichkeiten
Durch seine hohe Leistungsdichte, die kompakte Bauform, den bürstenlosen Aufbau und seine Robustheit gegenüber Temperaturschwankungen, Vibrationen und Schocks ist der Torque-Motor von Sonceboz in verschiedensten Bereichen einsetzbar, nicht nur in der Automobilbranche und in der Elektrotechnik, sondern natürlich in allen Anwendungen, in denen ein Direktantrieb mit hohem Drehmoment bei geringer Masse gefragt ist.
Zu dieser besonderen Robustheit trägt die Verkapselung des Stators mittels Kunststoff bei. Diese Ummantelung schützt zusätzlich vor Umgebungseinflüssen, fungiert zudem als Gleitlager für die Rotorwelle, und verhindert das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit.
Mit der neuen Generation Torque-Motoren hat Sonceboz einen kleinen leistungsfähigen Direktantrieb mit fast unglaublichem Drehmoment entwickelt, der sich hervorragend zum Anbau auf oder an Motoren eignet und mit seinen Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit zwischen -40 bis 150 °C und einer Robustheit gegen extreme Schwingungen sehr resistent gegen Umgebungseinflüsse ist.