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Kompakte Anwendungen mit Linearbewegungen durch Miniaturmotoren optimieren

Antrieb für Linearbewegungen
Portescap: So optimieren Miniaturmotoren Anwendungen mit Linearbewegungen

Portescap: So optimieren Miniaturmotoren Anwendungen mit Linearbewegungen
Miniaturantriebslösungen für Linearbewegungen kommen u.a. in OP-Sälen zum Einsatz. Bild: Portescap S.A.

Miniaturantriebslösung für Linearbewegungen müssen viele Anforderungen erfüllen. Zunächst muss der Konstrukteur überlegen, wie die Drehbewegung eines Miniaturmotors in eine Linearbewegung umgewandelt werden soll. Am häufigsten wird zu diesem Zwecke ein Spindel- und Muttersystem auf der Motorwelle montiert. Als kostengünstigere Methode kann eine lineare, motorisierte Standardlösung verwendet werden: ein Motor mit einer integrierten Leitspindel. Ein digitaler Linearantrieb (oder DLA) beispielsweise verwendet einen Schrittmotor mit Becherstapel in Kombination mit einer Spindel. Mit der Schrittmotortechnologie geht einher, dass der Motor seine eigene Positionierung steuert und sowohl eine genaue als auch kostengünstige Lösung darstellt, die kein zusätzliches Rückkopplungssystem erfordert. Mit einer speziell optimierten Kugellagerbaugruppe kann sogar das Axialspiel beseitigt werden. Neben der Schritttechnologie verfügt der Motor auch über ein Rastmoment. Daher kann er seine Position beibehalten, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird.

 

Verschiedene Optionen erhältlich

Was den Miniaturmotor angeht, kann der Schrittmotor mit Becherstapel je nach Anforderung durch verschiedene Optionen ersetzt werden. Beispielsweise sorgt ein Scheibenmagnet-Schrittmotor mit niedrigem Trägheitsmoment für die höchste Beschleunigung und liefert den Vorteil der Schritttechnologie, die für einfache Steuerung, Positionierungsfähigkeit und ein Rastmoment sorgt. Alternativ maximiert ein bürstenloser Gleichstrommotor die Leistungsdichte. Bei Anwendungen, die Energieeffizienz erfordern, z. B. batteriebetriebene Geräte, ist möglicherweise ein kernloser Bürsten-Gleichstrommotor die beste Wahl. Es können auch Steuergeräte hinzugefügt werden, z. B. ein Encoder, der eine hochauflösende Positionsrückmeldung gewährleistet, oder ein Getriebe, das für eine optimierte Drehmomentleistung sorgt.

Die optimale Motorbaugruppe gestalten

Für die Gestaltung der optimalen Motorbaugruppe ist es unabdingbar, den Leistungsbedarf der Anwendung sowie die Stromerzeugung des Motors zu kennen. Gewünschte Ausgangskraft und Lineargeschwindigkeit variieren je nach den Anforderungen der Anwendung. Die Leistung wird durch das Drehmoment und die Drehzahl des Motors erzeugt und kann unter Verwendung der erwarteten Ausgangsleistung und unter Berücksichtigung des Motorwirkungsgrads und des Leitspindelparameters, einschließlich des Wirkungsgrads und des Abstands, berechnet werden.

Beispiel aus der Praxis

Bei der Entwicklung eines medizinischen Laborgeräts für den Transfer von Flüssigkeiten mit geringem Volumen, ging man wie folgt vor: Ein einzelnes Motorpaket, das auf einen maximalen Durchmesser von 20 mm begrenzt ist, steuert Mehrkanalpipetten. Die Befüllung muss in weniger als 2,5 s abgeschlossen sein und die Pipetten legen anschließend innerhalb von 4 s einen Weg von 50 mm zurück, wobei sie in 30 Unterschritten entleert werden. Die Anwendung erfordert ein hochauflösendes System und eine gute Wiederholbarkeit, da in jedem Teilschritt konstant die gleiche Flüssigkeitsmenge geliefert werden muss.

Bei dieser Art der Anwendung werden die Anforderungen normalerweise von einem standardmäßigen digitalen Linearmotor mit einer Leitspindel erfüllt. Es ist dabei keine spezielle Entwicklung erforderlich, was die Kosten senkt. Ein Schrittmotor mit Becherstapel ermöglicht die Steuerung der Pipettenbefüllung über die Mehrschrittauflösung der Flüssigkeitsabgabe in Teilvolumina. Dank einer optimierten Kugellagerbaugruppe gibt es kein Axialspiel, wodurch eine hohe Wiederholgenauigkeit gewährleistet wird.

Hoher Wirkungsgrad

Ein aktuelles Beispiel für eine alternative Anwendung ist die Handhabung eines batteriebetriebenen medizinischen Geräts durch einen Arzt während einer Operation. Das Gerät soll wenig Strom verbrauchen und muss außerdem leicht und kompakt sein, was eine Lösung mit einem maximalen Durchmesser von nur 13 mm notwendig macht. In diesem Fall sorgen kernlose Bürsten-Gleichstrommotoren für einen hohen Wirkungsgrad. Zur Größenoptimierung sollte der Minimotor mit einem Getriebe gekoppelt werden. Bei der Auswahl des Getriebemotors muss der Techniker den Arbeitszyklus berücksichtigen, der im Beispiel des medizinischen Geräts mehrere Minuten Dauerbetrieb umfasst. Um die erforderliche vom Motor erzeugte Eingangsleistung (Drehmoment und Drehzahl) zu bestimmen, sind mehrere Berechnungen erforderlich. Zunächst muss die für die Anwendung erforderliche Linearbewegung (Kraft und Lineargeschwindigkeit) in eine Drehbewegung (Drehmoment und Drehzahl) umgewandelt werden. Diese Umwandlung hängt von den Leitspindelparametern (Abstand und Wirkungsgrad) ab. Um die erforderliche Leistung auf Motorebene zu ermitteln, muss man das Übersetzungsverhältnis und den Wirkungsgrad des Getriebes berücksichtigen. Will man sicherstellen, dass der Motor bei Dauerbetrieb leistungsstark genug ist, muss das erforderliche Motordrehmoment niedriger sein als das vom Hersteller angegebene Nenndrehmoment. Wenn die Motor- und Getriebeanforderungen ermittelt wurden, können der Leistungsbedarf und der Wirkungsgrad der Lösung berechnet werden.

Kundenspezifische Lösungen

Portescap unterstützt Designs für Anwendungen mit Linearbewegung und kann Technikern standardmäßige und kundenspezifische Lösungen zur Verfügung stellen. Bei der Festlegung der technischen Anforderungen der Anwendung ist es wichtig, dass der Miniaturmotor korrekt spezifiziert und dimensioniert wird, um eine optimale Integration und folglich die maximale Leistung der Anwendung zu gewährleisten.

Kontakt:
Portescap S.A.
Rue Jardinière 157
CH-2300 La Chaux-de-Fonds
Tel: +41 32925 62 40

Mail: sales.europe@portescap.com
www.portescap.com

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