Kleinmotoren - kommt es auf die Größe an?

Neues Jahr, neue Möglichkeiten. So starten die Hersteller von Kleinmotoren in das Jahr 2015. Sowohl Rotek, als auch Koco Motion und ebm-Papst St. Georgen planen ihre Produkte um zusätzliche Features zu erweitern. Rotek ist mit dem auf der SPS IPC Drives 2014 erstmals vorgestellten integrierten Antrieb Romotion ins neue Jahr gestartet, der sensorlos im Leistungsbereich bis 100 Watt arbeitet. Bei Koco Motion wurden für 2015 gleich mehrere Themen in Angriff genommen. Zum einen ist bei den Lexium-MDrive-Schrittmotoren mit der Realisierung einer Profinet-Schnittstelle eine weitere Feldbusanbindung gegeben. Diese Motoren werden zum anderen künftig auch mit robusten M12-Schraubanschlüssen angeboten. Hinzu kommen Schrittmotoren in den Schutzarten IP65 und IP67 und neue Baureihen bei Gleichstrommotoren. Aber das Unternehmen hat noch viel mehr in der Pipeline, denn das Credo der Entwicklung ist „Wir können alles“. Das ist so, „weil das Herkunftsland China weniger Standardmotoren anbietet, sondern vielmehr die mögliche Konstruktionsrichtung vorgibt. So werden diese Motoren meist applikationsspezifisch modifiziert und es können unendlich viele Varianten entstehen“, erklärt Gerhard Kocherscheidt, Geschäftsführer bei Koco Motion.

Lexium MDrive von Koco Motion

Die Lexium MDrive-Antrieb sind jetzt um eine Profinet-Schnittstelle erweitert worden. So ist eine weitere Feldbus-Anbindung gegeben. Ein weiterer Schritt, um die Kleinmotoren Industrie-4.0-tauglich zu machen.

Die Lexium MDrive-Antriebe von Koco Motion verbinden den Schrittmotor und die hochauflösende Mikroschritt-Steuerung zu einer kompakten Einheit. Der optionale Encoder ermöglicht mit der patentierten Closed-Loop-Regelung HMT (Hybrid-Motion-Technologie) die Drehzahlregelung des Motors bei Überlast sowie die Drehmoment-Regelung. Galvanische Trennungen der Schnittstellen sowie der Ein- und Ausgänge und umfangreiche Schutzfunktionen ermöglichen den Betrieb unter rauen elektrischen Bedingungen. Extrem kompakte Bauformen stehen in den Flanschmaßen von Nema 17 (35 mal 35 Millimeter) bis Nema 34 (86 mal 86 Millimeter) zur Verfügung.

Folgende Kommunikations-Schnittstellen stehen zur Auswahl:
Version Step-Torque-Speed: Takt-/Richtungs-Eingang, Analog-Eingang für Drehzahl- oder Dremoment-Regelung,
Version Motion Control: RS485 (ASCII), Ethernet (Profinet, EtherNet/IP, Modbus oder ASCII), Canopen, voll programierbar mit Ein-/Ausgängen.

Bei ebm-Papst St. Georgen stehen die Zeichen für 2015 auf Plug-and-Play: „Unser Ziel ist es Plug-and-Play-fähige Antriebssysteme zur einfachen Integration in Kundenapplikationen zu entwickeln, damit ersparen wir dem Kunden langwierige Entwicklungsphasen verschiedener Komponenten, der Kunde wird schneller in seiner Entwicklung“, sagt Johannes Moosmann, Geschäftsbereichsleiter Industrielle Antriebstechnik des Kleinmotorenherstellers.

Die Motorreihe K4 von ebm-Papst

Die K4-Motorreihe funktioniert nach dem Baukastenprinzip: Der Anwender kann zwischen verschiedenen GreenTech-EC-Antrieben von ebm-Papst wählen und ihn um beliebige Komponenten wie Getriebe, Bremsen oder Elektronikmodule erweitern. Das Unternehmen baut dann alles zu einem kompakten aufeinander abgestimmten System zusammen. So entsteht ein individueller und gleichzeitig kostengünstiger Antrieb, der genau zur jeweiligen Anwendung passt.
Die Motorreihe besitzt eine voll integrierte Regelelektronik und lässt sich durch mehrere analoge und digitale Schnittstellen – parametrierbar über eine RS485 Schnittstelle – besonders flexibel regeln. Und das, obwohl er kaum größer als ein Antrieb ohne Regelelektronik ist. Gewählt werden kann außerdem zwischen verschiedenen Nennleistungen von 100 bis 400 Watt mit entsprechenden Paketlängen von 15 bis 60 Millimetern.
Die Features im Überblick:

• Anwenderfreundliche Parametrier- und Regelbarkeit durch die intelligente PC-Software „Kickstart“,
• drei verschiedene Betriebsmodi (Drehzahl-, Positionier- oder Drehmomentmodus),
• dynamische Antriebe mit ausgeprägter Überlastfähigkeit.

Der K4 ist in vielen Branchen vertreten:

• Medizintechnik (Pumpenantriebe, diverse Hebe- und Verstellvorrichtungen),
• Textiltechnik (diverse Wickel- oder Spulantriebe),
• Intralogistiksysteme (Förder-, Lager- und Sortiersysteme),
• industrielle Automatisierung,
• Verpackungstechnik.

Das beschäftigt die Hersteller 2015

Was sind die Trends, die die Branche bewegen? Bei einem sind sich die Unternehmen einig: Kleinmotoren werden intelligent – oder auch Industrie-4.0-tauglich. Und hier sind es nicht nur die Anbieter, die sich anfangen Gedanken über das Thema zu machen. Der Bremerhavener Antriebsspezialist Rotek stellt bereits eine steigende Nachfrage nach intelligenten Kleinmotoren mit integrierter Steuerung fest. Rolf Treusch spricht diesen Antrieben viele Vorteile zu: „Neben einer Platzersparnis ist der Verdrahtungsaufwand gering, die Inbetriebnahme einfach und die Motoren sind vernetzbar, das heißt sie kommunizieren miteinander oder mit einer übergeordneten Steuerung. Auch für die Anlagenüberwachung und -wartung ergeben sich durch Informationen direkt aus dem Antriebsstrang interessante Möglichkeiten.“

„Als großen Technologietrend beeinflusst Industrie 4.0 im Sinne zunehmender Vernetzung die Entwicklung“, erklärt Kocherscheidt auf die Frage nach den Technologietrends und fügt hinzu: „Diese Anforderung ist auch immer häufiger bei kleineren Antrieben vorgegeben.“ Die allgegenwärtige Industrie 4.0 ist für den Bereich Kleinmotoren also bei weitem kein Randthema. Ein Thema aber, das die Hersteller durchaus vor Herausforderungen stellt. „Die Einbindung in Fabrikkommunikation mittels Bus-Systemen ist ein Trend, den wir sehen“, erklärt Moosmann. „Unsere Herausforderung wird es sein, die größtmögliche Flexibilität dabei zu bieten.“ Kleinmotoren werden daher mit weiteren Schnittstellen ausgerüstet, so etwa die Erweiterung des Lexium-MDrive-Schrittmotors bei Koco Motion um eine Profinet-Schnittstelle oder die geplante Can-Bus-Anbindung des Romotion-Motors von Rotek.

Beim Thema neue Werkstoffe sind Magnetwerkstoffe weiterhin das vorrangige Thema. Vor allem neue Kunststoff-Compounds spielen hier eine Rolle, die aus Sicht von Kocherscheidt heutzutage schon fast die Eigenschaften von Metall bieten. „Darüber hinaus bergen aber auch hochintegrierte Controller und leistungsfähige Leistungshalbleiter neue Potenziale“, weiß Rolf Treusch von Rotek. Dass auf dem Halbleitersektor weiterhin viel passieren wird, sieht man auch bei Koco Motion so.

Romotion von Rotek

Zunächst ist der Romotion mit einer maximalen Abgabeleistung von bis zu 100 Watt erhältlich. Der Drehzahlbereich beträgt 750 bis 4000 Upm. Im Laufe des Jahres soll eine fast doppelt so leistungsstarke Version folgen.

Auf der SPS IPC Drives 2014 feierte der neu entwickelte integrierte EC-Antrieb Romotion Premiere. Herz des Antriebs ist ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor. Die im Kleinspannungsbereich arbeitende Elektronik ist dabei direkt im Antrieb integriert. Optional ist es aber auch möglich, die Steuerung extern zu platzieren, insbesondere dann, wenn erhöhte Temperaturbereiche abgedeckt werden sollen. Der Motor basiert auf der für die Rosync-Motoren entwickelten Technologie. Als Kondensator- und Drehstrommotoren erreichen sie Wirkungsgrade von bis zu 75 beziehungsweise 90 Prozent.
Die intelligente Elektronik des Romotion bietet Möglichkeiten, die weit über das einfache Ansteuern der Motorwicklungen hinausgehen. Dabei kann der Antrieb sowohl über analoge, als auch über einen integrierten Bus mit Steuersignalen versorgt werden. Standard ist Modbus, der auch für die Parametrierung verwendet wird. Optional sind Lösungen für CAN und Profibus möglich. In der jetzt auf den Markt kommenden Basisversion erfolgt die Kommutierung sensorlos. Vorteil: Auf den Einbau von zusätzlichen Sensoren zur Rotorlageerkennung kann verzichtet werden. Dies ermöglicht einen kostengünstigen und platzsparenden Einbau der Steuerung.
Das Funktionsprinzip ist einfach: Der Drehzahlregler der Elektronik erhält seinen Sollwert durch ein Gleichspannungssignal von null bis zehn Volt. Die Gleichspannung wird von der Elektronik in ein Digitalsignal – also in eine Zahl– umgewandelt. Den Istwert der Drehzahl erhält die Elektronik über die Frequenz der EMK des Motors. Aus dem Vergleich wird der Strom zur Ansteuerung der Motorspulen berechnet. Durch den Regler wird die Drehzahl auf den gewünschten Sollwert gebracht und weitgehend unabhängig von dem geforderten Drehmoment gehalten. Neben dem Analogeingang für den Drehzahlsollwert gibt es Digitaleingänge etwa für die Freigabe und die gewünschte Drehrichtung des Motors. Gleichzeitig sind Fehler- und Bremschopperausgänge integriert. Darüber hinaus stehen drei unbelegte digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung, die anwendungsabhängig genutzt werden können, zum Beispiel für optionale Rotorlageerkennung (Hallsensoren, Optosensoren oder Winkelgeber) oder auch zur Endlagenerkennung im Apparatebau.
Über die serielle Schnittstelle, einen Ein-Draht-Bus (Modbus-Protokoll), kann die Elektronik parametriert werden. Hierüber können zum Beispiel Rampen zur Beschleunigung und zum Bremsen oder die Zuordnung des analogen Sollwerts zu der Drehzahl eingestellt werden. Über Gateways lassen sich die Motoren in andere Bus-Systeme wie CAN-Bus oder Profibus integrieren und auch mehrere Motoren untereinander vernetzen. Für den Einsatz in kundenspezifischen Anwendungen mit mehreren Antrieben kann über die Softwareprogrammierung ein direkter Netzbetrieb über den Ein-Draht-Bus genutzt werden. Dann arbeitet ein Antrieb im Mastermodus und die anderen als Slaves, wobei die dann freien Anschlüsse als Meldeeingänge und -ausgänge genutzt werden können. Somit lassen sich komplexe Abläufe ohne separate Elektroniksteuerung umsetzen. Die Software mit einem Zwei-Quadranten-Drehzahlregler bietet vielfältige Funktionen und kann an Kundenbedürfnisse angepasst werden.

Kommt es auf die Größe an?

Klein sollen sie natürlich auch sein, die Kleinmotoren. Der Trend geht für Treusch immer weiter hin zur Miniaturisierung von Antrieben. Dabei wird rein die Größe in Betracht gezogen. Aus den Augen sollte aber auch der Aspekt der Kompaktheit nicht geraten. Für Johannes Moosmann sind es gerade kompakte Lösungen, auf die in Zukunft immer mehr Wert gelegt werden wird. Dabei bezieht kompakt keinesfalls lediglich auf einen kleineren Motor bezieht, sondern auf „kompakte Systeme aus Elektronik, Motor, Getriebe“, so die Devise des Unternehmens.

Wirft man doch einen Blick auf die reinen Abmessungen, stellt sich die Frage, wie klein Motoren noch werden können. Neue Technologien wie 3D-Drucker, aber auch die Weiterentwicklung und Verbesserung bestehender Techniken, wie etwa in der Prothetik, verlangen nach extrem kleinen Antrieben. Das ist grundsätzlich kein Problem, da aus Sicht von ebm-Papst Antriebe nahezu beliebig klein werden können. So sieht das auch Kocherscheidt: „Es gibt eigentlich keine Grenzen, mittlerweile sind selbst Nanomotoren am Markt zu finden.“ Unterstützt wird die Miniaturisierung durch den Einsatz moderner Magnetwerkstoffe, aber auch die Integration der Steuerelektronik, die laut Treusch das Bauvolumen in der Regel schon um 50 Prozent gegenüber der Einzelkomponentenlösung reduzieren kann. „Allerdings muss berücksichtigt werden, dass viele der zunehmend kompakteren, aber trotzdem leistungsstarken Motoren ein Getriebe haben. Dies muss natürlich in der Lage sein, die entstehenden Drehmomente sicher zu übertragen“, gibt Treusch zu bedenken. „Hier sind der Miniaturisierung Grenzen gesetzt.“

Auch wenn man bei ebm-Papst nahezu beliebig kleine Motoren für möglich hält, möchte man hier an seinen Kernkompetenzen festhalten. Die sieht das Unternehmen in den Baugrößen von 32 bis 80 Millimeter Außendurchmesser. Darauf sind sowohl die Entwicklungstools, als auch die Fertigungsprozesse des Unternehmens ausgelegt. An der Größe der Antriebe wird sich hier also zunächst nichts ändern.

Gerhard Kocherscheidt ist Geschäftsführer bei Koco Motion.

Drei Fragen an Gerhard Kocherscheidt, Geschäftsführer bei Koco Motion

“Intelligente Motoren gibt es natürlich nicht”

Wie steht es um den Trend rund um dezentrale Antriebstechnik und -steuerung? Werden Kleinmotoren intelligent und mit eigenen Steuerungen ausgestattet?
Dezentrale Antriebstechnik und -steuerung ist schon seit Jahren „State of Art“. Die Integration ist angesagt, die Hersteller versuchen alle Arten von Motoren direkt mit der Steuerung zu verbinden und als Einheit anzubieten. Wir machen das natürlich auch und zwar seit über zehn Jahren. Mittlerweile sieht man diesen Trend auch bei größeren Maschinen. Intelligente Motoren gibt es natürlich nicht – es gibt nur intelligente Menschen, die eine Steuerung bauen und die Motoren damit intelligent erscheinen lassen. Aber es ist wohl die Ausdrucksweise heutzutage, gegen die ich mich immer ein bisschen wehre. Letztlich werden aber Kleinmotoren heute immer intelligenter geführt und gesteuert und es spielt eigentlich keine Rolle wie man „das Kind beim Namen nennt“.

Wie klein können Motoren werden? Wo liegen sinnvolle Grenzen?
Es gibt eigentlich keine Grenzen, mittlerweile sind selbst Nanomotoren am Markt zu finden. Unsere Motoren beginnen bei einem Durchmesser von vier Millimetern. Bei den Schrittmotoren werden wir in Kürze einen 16-Millimeter-Motor im Programm haben. Im Portfolio der bürstenlosen Gleichstrommotoren haben wir zusammen mit unseren Fertigungspartnern im letzten Jahr mit 16 Millimeter Durchmesser den kleinsten BLDC-Eisenanker-Motor mit integrierter Elektronik entwickelt. Bis acht Millimeter Durchmesser gehen meines Erachtens die sinnvollen Größen; noch kleiner würde wesentlich teurer und ich sehe hierfür zurzeit keinen Massenmarkt.

Welche Branchen und Anwendungen verlangen nach Kleinmotoren?
Überall dort, wo etwas gedreht, geregelt oder positioniert werden muss, finden Kleinmotoren Anwendungen. Wir bedienen alle denkbaren Branchen beginnend beim Modellbau und computergesteuerten Spielzeugen über Medizintechnik, Papierverarbeitung, Verpackungsindustrie, Automatisierung bis hin zur Automobilindustrie – um nur ein paar Beispiele zu nennen. Beim Auto etwa sind wir aktuell mit Vibrationsmotoren im Spurassistenten. Weitere Sensormotoren kommen durch die zunehmenden sicherheitsrelevanten Entwicklungen in Richtung fahrerloses Fahrzeug auf uns zu. Wir verzeichnen heute viele weitere Anfragen für die Automobilentwicklung wie für spezielle Verschlüsse, Pumpenantriebe oder Lenkhilfen.