Mikroantriebe jenseits des Experimentier- und Laborstadiums Großfamilie als Zukunftsplattform - KEM

Mikroantriebe jenseits des Experimentier- und Laborstadiums

Großfamilie als Zukunftsplattform

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Wie bei Anwendungen in der makroskopischen Welt erfordert auch die moderne Mikrosystemtechnik unterschiedliche Motorkonzepte für unterschiedliche Anwendungen. Entsprechende Antriebslösungen für den ambitionierten Anwender sind im Moment noch Mangelware. Abhilfe schafft die hier vorgestellte Großfamilie der Mikroantriebe mit ihren DC-Mikromotoren als Innenläufer oder flachen Pennymotoren, in Schrittmotortechnik oder mit abgestimmten Getrieben.

Alles aus einer Hand wie sonst fast bei jedem Antriebshersteller üblich, ist im Mikrobereich noch lange nicht Stand der Technik Dies möchte die Firma Faulhaber nun ändern und damit in die Verbreitung der Mikrotechnik im wahrsten Sinn des Wortes Bewegung bringen.

Die Packungsdichte moderner technischer Produkte steigt stetig. Elektronische Komponenten sind, angeregt durch den Massenmarkt „Handy“, sehr preiswert geworden. Viele früher nicht für möglich gehaltene Geräte sind heute extrem miniaturisiert. Um diesen Meilenstein der Elektronik auch mit mechanischen Komponenten erreichen zu können, unternehmen viele Antriebshersteller große Anstrengungen. Die Faulhaber-Gruppe hat durch Firmenzukäufe (siehe Textkasten auf Seite 28) das Programm an Klein- und Mikroantrieben erheblich erweitert. Die seriengefertigten Komponenten erlauben dem Anwender auch in der Mikrotechnik die jeweils optimale Antriebslösung einzusetzen. Dabei bietet die Lieferung aus einer Hand deutliche Zeit- und Kosteneinsparungen bei der Entwicklung.
Für geringste Spannungen
Zur Verfügung stehen unterschiedliche Motorenkonzepte. Für Anwendungen mit geringsten Spannungen eignen sich Motoren mit Edelmetallkommutierung. Die 16 mm langen Motoren der Baureihe 0615..S und 0816..S mit lediglich 6 bzw. 8 mm Durchmesser sind mit Nennspannungen von 1,5 bis 8 V zu betreiben. Der geringe Übergangswiderstand erlaubt kleinste Anlaufspannungen. Der eisenlose, federleichte Rotor aus einer freitragenden Kupferspule in Schrägwicklung verleiht den Motörchen eine einzigartige Dynamik. Leistungsstarke Neodymmagneten stehen für große Magnetkräfte auch bei kleinsten Volumen. Die Motoren sind daher dank niedrigem Spannungs- und Strombedarf für Batteriebetrieb prädestiniert.
Hohe Lebensdauer und Genauigkeit
Steht statt geringster Versorgungsenergie die Lebensdauer und die Regelungsgenauigkeit im Vordergrund, so sind elektronisch kommutierte DC-Motoren die Lösung. Die langlebige Lagerung erlaubt Betriebszeiten bis über 10 000 Stunden. Der dreiphasige elektronisch kommutierte Motor der Baureihe 0620…B mit 6 mm Durchmesser bei 20 mm Länge kann 1,4 W Leistung abgeben. Durch den trägheitsarmen Rotor ist auch hier die Dynamik sehr hoch. Das Drehmoment beträgt 0,33 mN. Ein passendes Ganzmetallgetriebe erlaubt die Erhöhung des Dauerdrehmomentes bis auf 35 mN. Die Nennspannung von 6 oder 12 V wird über eine Ansteuerung mit passendem Servoverstärker phasenkommutiert dem Motor zugeführt. Möchte man es etwas genauer, so bietet das Programm auch einen 6 mm Motor mit integriertem Positionsgeber, optional auch mit Hallgebern. Bei durchgehend 6 mm Durchmesser inklusive Kabelabgang beträgt die Länge des Motors nur 22,3 mm (Bild 1). Bei 12 V Betriebsspannung werden bis zu 1,83 W abgegeben. Der Positionsgeber liefert 64 Absolutwerte pro Umdrehung und ist unempfindlich gegenüber elektromagnetischen, optischen und mechanischen Störungen. Damit eignet sich diese Antriebslösung optimal für Einsätze mit Drehzahl- und Positionsregelung. Auch hier kann das Drehmoment von 0,45 mN durch ein Getriebe erhöht werden.
60 mW- Mikroantrieb
Wer noch kleinere Kraftquellen benötigt, kann auf den nur 1,9 mm im Durchmesser und 5,5 mm Länge messenden Motor der Serie 0206..B zurückgreifen. Der ebenfalls dreiphasige elektronisch kommutierte Motor erreicht eine Abgabeleistung von immerhin 60 mW. In der Kombination mit einem Mikroplanetengetriebe werden Drehmomente deutlich über den eigenen Reibungsmomenten erzielt. Eine angepasste Elektronik steuert den Mikroantrieb (Bild 2). Dabei werden u.a. die rückinduzierte Spannung kompensiert. Ein Drehzahlbereich von 20 min-1 bis 120 000 min-1 bei sehr feiner Auflösung ist so möglich. Überstromsicherung, nichtflüchtige Speicherung eingegebener Daten sowie Drehzahl- und Positionsregelung übernimmt ein 24-MHz-Mikrokontroller. Damit ist das kleinste Antriebssystem genauso flexibel wie ein großes (Bild 3).
Mikro-Motoren bis 8 mm Durchmesser
Ebenfalls im Bereich sehr zuverlässiger, elektronisch kommutierter Mikromotoren tätig ist das neue Mitglied der Firmengruppe MPS Micro Precision Systems. Die Mikromotoren mit 3, 5 und 8 mm Durchmesser und 8,1 mm, 13 bzw. 20,79 mm Länge erfüllen höchste Qualitätsansprüche (Bild 4). Die hochdynamischen Antriebe mit einem sehr guten Leistungs/Volumenverhältnis werden elektronisch kommutiert. Bei Nennspannungen von 3 V (3-mm-Motor) und 6 V (6- und 8-mm-Motor) werden Drehzahlen von 15 000 min-1 und Dauerdrehmomente von 0,02; 0,07 sowie 0,64 mN erzielt. Abgestimmte Getriebe erlauben Drehzahl und Drehmoment den Anwendungsanforderungen anzupassen.
Mikro-Schritt für Mikro-Schritt
Nicht immer sind reine Drehbewegungen gefragt. Auch die Mikrowelt verlangt häufig nach Schrittmotortechnik. Hier bieten sich die Winzlinge von Arsape an. Die elektronisch kommutierten Motoren mit Motordurchmessern von 6 bzw. 8 mm und Baulängen von 9,3 und 13,8 mm sind robust gebaut. Wenige Bauteile, hoch belastbar, das sind die herausragenden Eigenschaften. Die Betriebsspannung beträgt 3/6 bzw. 3/5 V. Drehmomente je nach Typ von 0,06 und 1 mN sowie Haltemomente bei Nennstrom von 0,2 und 0,65 mN sprechen für sich. Durch den direkten Zugriff der Software auf die Rotorposition (1 Bit = 1 Schritt) wird kein Positionsgeber und keine komplexe Steuerung benötigt. Trotzdem ist ein feinfühliger Voll-, Halb- und Mikroschrittbetrieb möglich. Da die Motoren die Position auch stromlos halten, kommt ein günstiger Stromverbrauch bei kleinen Einschaltzeiten zustande (Bild 5). Die Antriebe eignen sich daher besonders für Stellbewegungen.
Mikro- Flachmann
Dass Elektromotoren nicht unbedingt länglich und zylinderförmig sein müssen ist inzwischen allgemein bekannt. Im Mikromotorenbereich hat sich Mymotors & Actuators aus Wendelsheim bei Mainz auf diese Antriebslösungen spezialisiert. Ihre Scheibenläufermotoren, wegen ihrer Form und Größe auch als Pennymotoren bezeichnet, setzen hier Maßstäbe. Egal ob kundenspezifisch oder in Standardbauform, die flache Bauweise ist bestechend: die Höhe beträgt nur 2 bis 4,15 mm bei einem Motordurchmesser von 12 bzw. 12,5 mm! Möglich ist diese kompakte Ausführung nur durch den Einsatz einer eisenlosen Spule. Diese wird lithographisch hergestellt. Das Verfahren garantiert die präzise Einhaltung der vorgegebenen optimalen Geometrie. Zusätzliche Vorteile der eisenlosen Ausführung sind der hohe Wirkungsgard durch fehlende Hysterese- und Wirbelstromverluste. Auch ein Rastmoment ist systembedingt nicht vorhanden. Bei Betriebsspannungen von 2,7 bis 5,5 V oder 5,5 bis 15 V und Drehzahlen bis zu 60 000 U/min erzielen die Flachlinge trotzdem Drehmomente bis zu 0,22 mN (Dauerdrehmoment bis zu 0,07 mN). Dabei ist der Abfall der Drehmoment/Drehzahlkurve sehr flach, was die Anpassung an die übrige Mechanik erleichtert.
Mikroantriebe als Serienprodukte
Die Mitglieder der Faulhaber-Gruppe bieten mit ihrer durchdachten Angebotspalette im Mikroantriebsbereich schon heute eine breite Basis für die unterschiedlichsten Anwendungsanforderungen. Als Innovationssparte der technischen Entwicklung hat damit die Mikroantriebstechnik den Status des Experimentier- und Laborunikums verlassen und sich als eigenständige Antriebssparte etabliert. Anwender können nun auf bewährte seriengefertigte Produkte von der Stange zurückgreifen und auf ein fundiertes Know-how bei der Beratung bauen.
Weitere Informationen
Edelmetallkommutierte DC-Motoren
KEM 448
Elektronisch kommutierte DC-Motoren
KEM 449
60 mW-Mikroantriebe
KEM 450
Mikromotoren 3, 5 und 8 mm
KEM 451
Arsape-Schrittmotoren
KEM 452
Pennymotoren
KEM 453

Know-how unter einem Dach
Die Faulhaber-Gruppe vereint unter einem Dach ein umfangreiches Wissen an Antriebslösungen für die Mikrotechnik:
  • Das Mutterunternehmen bietet mit dem kleinsten seriengefertigten Antriebssystem der Welt (Motor- und Getriebedurchmesser nur 1,9 mm) ein weltweit einzigartiges Produkt. Ergänzt wird dieses durch bürstenlose Brüder mit 6 mm Durchmesser und integriertem Positionsgeber, sowie den edelmetallkommutierten Motoren mit patentierter freitragender Kupferspule für kleinste Anlaufspannungen
  • MPS Micro Precision Systems AG, Biel/Schweiz, bietet Motoren an in 3, 5 und 8 mm Durchmesser in bürstenloser Bauweise mit hochdynamischem Verhalten und dazu optimierte Regler
  • Kleinste Schrittmotoren sind die Domäne der Arsape: Hohe Drehmomente bei 6 bzw. 8 mm Motordurchmesser; direkte Softwarezugriff auf die Rotorposition erspart Positionsgeber und komplexe Steuerung
  • Superflache Antriebe mit 2 bis 4,14 mm Höhe bei 12 mm Durchmesser kommen von Mymotors & Actuators, Wendelsheim bei Mainz. Als Synchron- oder Elektronikmotor betrieben und mit eisenloser Spule ausgestattet bauen sie unglaublich flach.
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