Robotik Elektromotoren sorgen bei Robotern für den aufrechten Gang

Was für den Menschen die Muskeln, das sind für den Roboter präzise Elektromotoren. Für den Roboterbau besonders interessant sind dank ihrer hohen Dynamik DC-Motoren. Die Hochlaufzeiten dieser genügsamen Motoren liegen bei wenigen Millisekunden.

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Maxon Motor GmbH

maxon international ag

Arm anwinkeln, Handfläche ausstrecken, Finger spreizen, dann das Ganze hin und her schwenken lassen: Schon der grobe Ablauf einer vermeintlich einfachen Wink-Bewegung setzt jedoch die Bewegung verschiedener Gelenke voraus. Beim Menschen erledigen dies Muskeln, die durch den Ablauf von Zusammenziehen (Kontraktion) und Erschlaffen (Relaxation) Körperteile bewegen. Ein Roboter muss auf andere Techniken zurückgreifen: Um vorwärtszukommen, verwendet er Elektromotoren. Dabei handelt es sich oft um Gleichstrommotoren, auch DC-Motoren genannt. DC steht dabei für „direct current“.

Immer mehr Leistung auf immer kleinerem Raum

Grundsätzlich sorgt ein DC-Motor durch Links- und Rechtsdrehen für Bewegung. Im realen Einsatz gestaltet sich das aber nicht immer so einfach, wie es sich zunächst anhört. So ist für einen modernen Roboter besonders wichtig, dass seine Bewegungsabläufe präzise, dynamisch und mit möglichst wenig Aufwand an Energie durchgeführt werden. Gleichzeitig sollen die einzelnen Komponenten möglichst klein und leicht sein. Das bringt mehr Agilität und spart Kraft. Beim Menschen ist das nicht anders.

Elektromotorenheresteller Maxon Motor hat sich seit mehr als 40 Jahren auf die Entwicklung von Gleichstromantrieben und Systemen bis 500 W Leistung spezialisiert. Permanentmagnetisch erregte Gleichstrommotoren spielen eine Schlüsselrolle im Umfeld ungebremst voranschreitender Miniaturisierung in der Antriebstechnik und der resultierenden Forderung nach immer mehr Leistung auf immer kleinerem Raum.

Antriebe wie für die Robotik geschaffen

Präzis, kompakt, effizient: Dies sind die wesentlichen Anforderungen an das Antriebskonzept eines Roboters. Am besten erfüllen diese Anforderungen eisenlose Gleichstrommotoren. Das „Herzstück“ eines zylindrischen Maxon-Gleichstrommotors ist der eisenlose Rotor, eine selbsttragende Kupferwicklung. Die Vorteile dieser Technologie sind beachtlich.

In konventionellen Gleichstrommotoren mit Eisenkern werden die weichmagnetischen Zähne des Rotors durch die in der Nähe befindlichen Permanentmagnete polarisiert und angezogen. Eine Bewegung zum folgenden Magnetpol erfordert eine Ummagnetisierung. Der Rotor versucht an diesen Vorzugspositionen zu verharren und ohne Bestromung hält der Motor nur an ganz bestimmten Stellen an. Dieses so genann-te Rastmoment führt dazu, dass das erzeugte Drehmoment eine starke Welligkeit aufweist.

Kein Rastmoment bei hohem Wirkungsgrad

Die Maxon-Motoren sind rastmomentfrei, weil ihr Rotor kein Eisen enthält. Daraus leiten sich folgende Vorteile ab:

• kein magnetisches Rastmoment und daher ruckfreier Lauf auch bei kleinen Drehzahlen,
• einfache Regelung jeder beliebigen Rotorposition,
• wenig Vibrationen und
• geringe Geräuschentwicklung

Bei den DC-Motoren des Herstellers ist die Magnetisierung des Stators fest eingeprägt und der Rotor ist ohne Eisen ausgeführt. Deshalb treten auch keine Eisenverluste auf. Als Eisenverluste bezeichnet man Leistungsverluste während dem Betrieb, die im Eisen durch das fortlaufende Ummagnetisieren und durch induzierte Wirbelströme entstehen.

Die erwähnten Antriebe bieten optimale Voraussetzungen für batteriebetriebene Anwendungen aufgrund

des hohen maximalen Wirkungsgrads bis über 90% und

• des tiefen Leerlaufstroms (typisch <50 mA).

Magnetgeometrie ermöglicht hohe Induktionsfeldstärke im Luftspalt

Weil die hohe zusätzliche Induktivität des Eisenkerns entfällt, muss für die Kommutierung muss weniger magnetische Energie geschaltet werden. Die auftretenden Funken beim Öffnen des Kontaktes zwischen Bürste und Kollektorlamelle sind weniger ausgeprägt. Die DC-Motoren von Maxon haben deshalb weniger Bürstenfeuer und in Folge eine höhere Lebensdauer sowie weniger elektromagnetische Störungen.

Dank des fehlenden Eisenkerns kann der Magnet platzsparend im Zentrum angeordnet werden. Die gegenüber eisenbehafteten Motoren vorteilhaftere Magnetgeometrie ermöglicht ein ef?zienteres Design des Magnetkreises und eine hohe Induktionsfeldstärke im Luftspalt. Das Massenträgheitsmoment des Hohlzylinders beim Maxon-Motor ist gegenüber dem Vollzylinder eines eisenbehafteten Rotors bedeutend kleiner und ergibt hohe Leistung auf kleinem Raum, eine kompakte Bauform mit geringem Gewicht sowie hohe Dynamik und schnelle Beschleunigung mit Hochlaufzeiten von nur einigen Millisekunden, wie sie in der Robotertechnik benötigt werden.

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