Schub für eine gekonnte Abstimmung

Exklusiv in KEM Autoren: Michael Enz ist Projektleiter Entwicklung Antriebssysteme bei der ebm-papst St. Georgen GmbH & Co. KG, St. Georgen, Andreas Zeiff ist tätig im Redaktionsbüro Stutensee, Stutensee

Das hier vorgestellte Antriebssystem mit 42 mm Durchmesser besteht aus individuell auswählbaren Modulbaugruppen, die beim Hersteller zusammengesetzt und zu 100 % auf Funktionstüchtigkeit geprüft werden. Das verbessert die Antriebsabstimmung durch anwendungsgerechte Auslegung und vermeidet zudem die Komplikationen bei der bisher nötigen eigenen Komponentenzusammenstellung aus Einzelteilen.

Kleinantriebe sind heute so flexibel wie ihre größeren Brüder. Die Anforderungen der Anwender ändern sich jedoch mit der Baugröße. Ist bei großen Aggregaten die separate Zusammenstellung aus Komponenten oft konstruktiv unabdingbar, bieten bei Kleinantrieben Kompletteinheiten viele Vorteile. Aus diesem Grund setzt der Motorenspezialist ebm-papst auf ein neues Modulkonzept. Der im Durchmesser von 42 mm erhältliche Antrieb basiert auf der Vorgabe: So individuell wie nötig und so einheitlich wie möglich. So profitiert der Anwender von hohen Stückzahlen bei den Einzelmodulen und kann doch „seinen“ Antrieb selbst gestalten.

Als Kraftspender des Antriebssystems dient ein elektronisch kommutierter Innenläufermotor. Dieses Konzept vermeidet Bürstenabrieb, sorgt für lange Lebensdauer bis über 20 000 h und bringt deutliche Vorteile bei der elektromagnetischen Verträglichkeit, ein wichtiger Punkt beispielsweise beim Einsatz in medizinischen Geräten. Durch das geringe Trägheitsmoment des innen liegenden Rotors ist der Motor zudem für dynamische Anwendungen prädestiniert. Die Bleche des Rotors bilden „Taschen“, in die hochwertige Neodym-Permanentmagnete eingeschoben werden. Das verbessert den Magnetfluss und damit die Ausnutzung des Motors. Zudem werden die empfindlichen Magnetsegmente durch die umgebenden Bleche von Fliehkräften entlastet. Das erhöht die Sicherheit bei hohen bis höchsten Drehzahlen und erlaubt gleichzeitig eine günstige, automatisierte Produktion der Rotoren. Um unterschiedliche Leistungsanforderungen abdecken zu können, werden die Motormodule in zwei Baugrößen mit 20 und 40 mm Statorpaketlänge angeboten. Damit erreichen die Motoren Leistungen von rund 45 beziehungsweise 90 W bei 110 beziehungsweise 220 mNm Nenn-Drehmoment und jeweils 4000 min-1 Nenndrehzahl. Gegenüber dem Vorgängertyp bedeutet das eine höhere Leistungsdichte und mit dem annähernd doppelten Drehmoment bei 40 % weniger Masse. In Schutzart IP40 ausgeführt arbeitet der Motor mit Nennspannungen von 24 und 48 VDC. Die im Motor eingesetzte Leiterplatte des Rotorlagegebers arbeitet mit drei Hallgebern.

Als Standardgetriebe für den 42 mm-Motor stehen durchmesserkonforme Planetengetriebe in robusten Zinkdruckguss-Gehäusen zur Verfügung. Vorteil dieser Getriebebauart im Kleinantriebsbereich ist die kurze Bauform bei hohen möglichen Untersetzungen. Eine optimierte Schrägverzahnung in der Eingangsstufe sorgt durch den gleitenden Eingriff der Zähne für eine exzellente Laufruhe. In Verbindung mit der Kraftaufteilung auf mehrere (Planeten-) Zahnräder werden die Getriebebauteile gleichmäßig belastet und ein langer wartungsfreier Betrieb gesichert. Im vorliegenden Fall reichen die Untersetzungen der ein- und mehrstufig ausgelegten Getriebe-Module von 3:1 bis 150:1. Damit können aus den 110 beziehungweise 220 mNm des Motors 0,3 bis 10 Nm Drehmoment an der Abtriebswelle gewonnen werden.

Für besondere Anwendungsfälle hält der Baukasten noch weitere Planeten- und Schneckengetriebe in der bewährten Modulbauform bereit. Letzteres erlaubt auf einfache Weise zum Beispiel den Kraftfluss bei Bedarf um 90° versetzt zur Motorachse anzutreiben, ohne die kompakten Maße des Antriebsystems zu beeinträchtigen. Alle Getriebe sind mit verstärkten Lagern an der Abtriebswelle ausgestattet, um auch höheren Radiallasten auf Dauer standzuhalten, wie sie bei Keil- oder Zahnriemenbetrieb auftreten.

Nicht jeder Antrieb ist zwingend auf eine interne Betriebs-Elektronik angewiesen. In manchen Fällen kann die Antriebssteuerung problemlos von einer externen Anwenderelektronik übernommen werden. In diesem Fall reicht für den Motor eine preisgünstige Elektronikschaltung aus, die über die Impulsausgabe von drei Hallgebern die nötigen Informationen für die externe Steuerung liefert. Zusätzlicher Vorteil der externen Steuerung ist der weiter reduzierte Platzbedarf des Antriebs vor Ort, so können auch bei sehr beengten Platzverhältnissen die Antriebe problemlos eingesetzt werden.

Ist eine präzise Rückmeldung über die aktuelle Position des Antriebs gewünscht, kommen Encodermodule zum Einsatz. Die Encoder messen dabei direkt die Bewegung der Motorwelle. Eine optionale Untersetzung der Motordrehzahl durch ein Getriebe erhöht somit entsprechend die Auflösung der Encoder an der langsamer drehenden Abtriebswelle. Damit eignen sich die Antriebe auch für Anwendungen, bei denen es auf hohe Präzision ankommt. Zusammen mit der dynamischen Motorauslegung und der kurzzeitigen Überlastfähigkeit können eine Vielzahl von Einsatzbereichen abgedeckt werden. Da alle Komponenten auch hohe EMV-Ansprüche erfüllen, lassen sich jetzt auch Forderungen der Medizin- und Automatisierungstechnik mit „Standardkomponenten“ umsetzen. In Verpackungs- oder Sortieranlagen, in denen oft eine Vielzahl von Antrieben gleichzeitig arbeitet, bietet wiederum die platzsparende Bauweise mit externer Ansteuerung deutliche Vorteile.

Moderne Kleinantriebe bieten heute einen ebenso hohen Komfort wie große Antriebe. Sie eröffnen zudem durch ihre kleinen Abmessungen völlig neue Möglichkeiten bei der Gestaltung des Antriebes als Komplettaggregat. Das neue modulare Baukastensystem erlaubt dabei eine anwendungsspezifische Auslegung, ohne auf die Vorteile einer 100 % geprüften preiswerten Serienproduktion verzichten zu müssen. Damit spart das neue Antriebssystem bei Investition, Betrieb, Wartung und Lagerhaltung gegenüber konventionellen, diskreten Lösungen deutlich Kosten ein.

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Die ebm-papst Gruppe ist ein führender Hersteller von Ventilatoren und Motoren und ist Schrittmacher der hocheffizienten EC-Technologie. Im vergangenen Geschäftsjahr 10/11 erzielte das Unternehmen einen Umsatz von über 1,3 Mrd . . ebm-papst beschäftigt an 17 Produktionsstätten (u.a. in Deutschland, China, USA) und 57 Vertriebsstandorten weltweit über 11 000 Mitarbeiter. Zum Standort St. Georgen gehören in Deutschland das Werk Herbolzheim, in Ungarn zwei Werke in Vecsés und Celldömölk sowie ein Werk in China. Insgesamt beschäftigt die ebmpapst St. Georgen GmbH & Co. KG 3400 Mitarbeiter.