Elektroantrieb Miniaturantriebe: Mit einer Rotorspule fing alles an

Schräg gewickelt und eisenlos – mit seiner Rotorspule hat Faulhaber vor 60 Jahren einen wichtigen Grundstein in seiner Entwicklung von Miniatur- und Mikroantriebstechnologie gelegt. Hier gelang der Weg vom einfachen Antrieb zum vernetzten System.

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Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

In unserer schnelllebigen Zeit sind Jubiläen etwas Besonderes. Sie zeigen, dass es dem Jubilar gleichzeitig gelungen ist, Konstanz zu beweisen, flexibel auf Veränderungen zu reagieren und mit der Zeit Schritt zu halten. Das war in den letzten Jahrzehnten eine große Herausforderung, schließlich hat sich die Technik in dieser Zeit so rasant weiterentwickelt wie nie zuvor. Als das Fachmedium elektrotechnik 1918 gegründet wurde, waren gerade die ersten elektrischen Überlandzentralen errichtet. Von der Mikroelektronik über die ersten Halbleiter, speicherprogrammierbare Steuerungen und Roboter bis zu Industrie 4.0 hat das Fachmedium bis heute die technische Entwicklung begleitet und seinen Lesern wertvolle Informationen geliefert.

Sicherlich hat auch Dr. Fritz Faulhaber, Firmengründer der Dr. Fritz Faulhaber GmbH sich von der Lektüre der elektrotechnik inspirieren lassen. 1947 bei der Gründung seiner Feinmechanik-Werkstatt, also vor nun rund 70 Jahren, konnte aber auch er kaum ahnen, wohin die Reise geht und welche Bedeutung die heute geläufigen Begriffe Industrie 4.0 oder vernetzte Automatisierung einmal erlangen würden.

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Spätestens als Dr. Fritz Faulhaber die eisenlose Rotorspule mit freitragender Schrägwicklung erfand, hat er dazu jedoch eine wichtige Voraussetzung geschaffen: Mit der 1958 zum Patent angemeldeten Faulhaber-Spule wurde der Grundstein gelegt für das umfangreichste Portfolio an hochentwickelter Miniatur- und Mikroantriebstechnologie, das heute weltweit aus einer Hand verfügbar ist.

Die wesentlichen Vorteile der Faulhaber-Antriebstechnologie sind schon damals der rastmomentfreie Lauf, der einen präzisen Positionierbetrieb und eine feinfühlige Drehzahlregelung ermöglicht, zudem ein hoher Wirkungsgrad sowie hohe Drehmomente und Leistungen im Verhältnis zu Größe und Gewicht der Motoren. Ein geringes Rotorträgheitsmoment garantiert zudem gute Dynamik bei Start- und Stoppbetrieb.

Motordaten ändern – das hat einst ausgereicht

Die Entwicklung dieser Antriebstechnologie ging Schritt für Schritt mit viel Marktgespür weiter, wobei immer die Anwenderanforderungen im Fokus standen. Ein Zitat von Dr. Fritz Faulhaber jun., dem Nachfolger des Firmengründers, beschreibt diesen Werdegang recht treffend: „Unsere Philosophie ist, technologisch immer eine Nasenlänge voraus zu sein – aber die Nase sollte nicht einen Meter lang sein.“

Zunächst genügte es, die Motordaten im Hinblick auf die unterschiedlichen Anwendungsanforderungen zu verändern oder die Antriebe mit Getrieben zu kombinieren, um den unterschiedlichen Wünschen an Drehzahl und Drehmoment gerecht zu werden. Antriebskombinationen durch die Erweiterung zum Beispiel mit Impulsgebern, Tachogeneratoren oder Bremsen folgten; auch äußere Bedingungen, wie Temperatur oder Feuchtigkeit sowie mechanische und elektrische Anforderungen, wie etwa die Beschaffenheit von Antriebswelle und Motoranschlüssen, nahmen zunehmend Einfluss auf weitere Modifikationen.

Im Jahre 1970 hielt die Elektronik Einzug in die Antriebstechnologie von Faulhaber. Es wurden die ersten optischen Encoder sowie pulsweitenmodulierte Steuerungen entwickelt, die es ermöglichten, die Drehzahl der Antriebe elektronisch zu regeln und sie für Positionieraufgaben zu nutzen.

„Deutliche Volumenreduktion“ war ebenfalls eine wichtige Marktanforderung, auf die es zu reagieren galt. Auf Basis der Faulhaber-Spulentechnologie entstanden Gleichstrommotoren mit nur 15 mm Durchmesser, deren integrierter Encoder die Antriebe lediglich um 1,4 mm verlängerte. Die Produktpalette wuchs.

Kleine DC-Motoren erlaubten neue Lösungsansätze

Und die kleinen DC-, bürstenlosen DC-, Schritt- und Linearmotoren aus Schönaich erschlossen oftmals völlig neue Lösungsansätze – nicht nur in Industrie, Fabrikautomation und Robotik, sondern auch am Meeresboden, in Luft- und Raumfahrt, in Medizin- und Labortechnik sowie in Optik und Photonik. Vom Mikroantrieb mit 1,9 mm Durchmesser bis zum leistungsstarken 44-mm-DC-Servomotor sind die Antriebe kombinierbar mit verschiedenen Präzisionsgetrieben und stehen heute als entsprechende Systemlösungen für eine Vielzahl von Anwendungen bereit.

Im wachsenden Robotik-Markt beispielsweise ist ihre hohe Dynamik besonders gefragt. Oft muss der Motor innerhalb kurzer Zeit auf volle Geschwindigkeit beschleunigen. Vor allem bei mobiler Robotik sind kleine, leistungsstarke und energieeffiziente Antriebe gefordert. Aufgrund ihrer eisenlosen Wickeltechnik sind die kompakten Motoren dafür gut geeignet. Ihre hohe Leistungsdichte, kombiniert mit hoher Effizienz und geringem Platzbedarf, verbessert das Leistungsgewicht, reduziert den Strombedarf und ermöglicht somit mobilen Anwendungen einen batterieschonenden Betrieb.

Dezentrale Intelligenz und Echtzeit-Kommunikation

Auch in Zukunft werden sich die Antriebe weiterentwickeln, denn immer wieder gibt es neue Herausforderungen, die es zu meistern gilt. Im Kontext mit vernetzter Industrie heißen die aktuellen Forderungen an zukunftsweisende Antriebssysteme dezentrale Intelligenz und Fähigkeit zur Echtzeit-Kommunikation mit der übergeordneten Prozessleittechnik sowie universelle Einsatzmöglichkeiten.

Die Anwender erwarten eine einfache Bedienbarkeit, Flexibilität bei den Schnittstellen, um eine reibungslose Kommunikation im Automatisierungsverbund sicherzustellen, und die Möglichkeit, mehrere Achsen praxisgerecht zu synchronisieren. Diesen Forderungen tragen die Motion Controller der jüngsten Generation nun Rechnung. Sie lassen sich entweder über CANopen- oder Ethercat-Schnittstellen mit der übergeordneten Steuerung verbinden und ebnen den intelligenten Antriebssystemen den Weg weiter in Richtung vernetzte Industrie.

* Dipl.-Ing. (BA) Andreas Seegen ist Leiter Marketing bei der Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG; Ellen-Christine Reiff ist Redakteurin im Redaktionsbüro Stutensee

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