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Presse
 

Produktvorstellung
Entwurf & Optimierung von bürstenlosen Sondermotoren

 
Pressetext 

Bürstenlose-DC Direkt-Antriebe mit Torque-Motoren

Langsamläufer, gedacht für den spielfreien und steifen Direktantrieb der Last ohne den Einsatz eines Getriebes. Sogenannte Pankakes oder Megatorquer bringen das Drehmoment über den großen Durchmesser. Zum Beispiel bis zu 9 m Durchmesser bei 200.000 Nm Drehmoment für die VL-Teleskope der ESO in Antofagasta/Nordchile. Diese Motoren konnten durch eine optimale Auslegung tatsächlich die geforderten Eigenschaften wie Rastmoment und Drehmomentwelligkeit kleiner 1 % erreichen. Obiges Bild zeigt eine Kundenspezifische Konstruktion mit 40 mm Blechstärke und 32 cm Außendurchmesser.

Perfektion der Technik

So wie für den Betrachter die Anmut einer Skulptur, so ist die Perfektion in der Technik der Höherpunkt in der kreativen Ingenieursschaffenskraft. Die Perfektion in der Technik wird dann erreicht wenn das Produkt dem gestellten Auftrag gerecht entwickelt wurde.
Wie viele Aspekte man an einem bürstenlosen Motor berücksichtigen sollte, ist fast eine nicht endende Kette von Freiheitsgraden und Möglichkeiten, die genau genommen eine schier unendliche Vielfalt von gelungenen Ausarbeitungen erlaubt. Hier ein einfaches “Kochrezept” zu empfehlen ist nicht möglich, sondern erst die Übersicht aller Möglichkeiten steuert instinktiv den Fachmann in mehrere optimale Richtungen.

Gewünschte Daten:
- Drehzahlen, von schleichender Drehzahl bis über 100.000 U/min
- Dauerdrehmoment bei welcher Drehzahl
- Spitzen/Impulsdrehmoment für welche Zeit und wie oft ?
- höchste Beschleunigung, z.B. bis zu 1 Mio. rad/s2 oder völlig unwichtig

Besondere Eigenschaften:
- Hochkonstante Drehzahl bei wechselnder Last
- möglichst frei von Rastmoment, ein besonderes Thema
- Hochkonstantes Drehmoment über den Winkel
- auf kleinste Erwärmung der Wicklung oder des Eisens aufgebaut
- auf kleinste, mittlere oder größte Wicklungs-Induktivität hin ausgelegt
- Low-Cost Design ist auch eine besondere Anforderung

Aufbau und Bauformen:
- Anzahl der Phasen: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12 oder sogar redundant viel mehr Phasen ?
- von schlank/stabförmig bis kurz und mit großem Durchmesser
- Innenläufer mit Außenstator oder Außenläufer mit Innenstator
- Stator-Gehäuse aus einem Rohr oder aus geschweißten Eisenblechen aufgebaut ?
- ist Flanschkühlung, Luft- oder Wasserkühlung vorgesehen ?

Fertigungsverfahren:
- sehr einfach von Hand zusammenzubauen (z.B. auch in Heimarbeit)
- eine vollautomatische Fertigung ist vorgesehen

Magnete:
- aus einzelnen rechteckigen Stabmagneten, oder als Schalen-Segmenten
- fertiger Ringmagnet, vorher schon mit Polen aufmagnetisiert
- Aus SmCo, NdFeB oder Ferrit

Lagemelder:
- unzählige Lage- und Geschwindigkeitssysteme stehen zur Verfügung je nach
dem ob es ein Positionier-/Drehzahl- oder Drehmomentsystem werden soll

Bürstenlose Motoren erlauben heute durch Auswahl an Nuten-, Pol- und Phasenzahlen eine unendlich große Vielfalt an innovativen Lösungen.
Alle primären Eigenschaften eines BL-DC Antriebes lassen sich zu einem optimalen Design konfigurieren wie z.B. hohe Steifigkeit gegen Störmomente, kleines Rastmoment oder kleine Drehmomentwelligkeit, EMK-Verlauf als Sinus, π-Sinus, Trapez oder Rechteck, oder die gewünschte Wicklungs-Induktivität. Mechanische Abmessungen, als hohler Ring oder als Stab, geben nur den äußeren Rahmen vor, danach beginnt die eigentliche Entwicklungsarbeit.

Systemübersicht und Sachkenntnis bei der Umsetzung aller gewünschten Eigenschaften sind auch notwendig, wenn es um die Details geht, wie Montage, Klebung, Schränkung, Wicklung und Beschaltung . Wenn Sie kompetente und klare Antworten auf alle Fragen erwarten, dann sprechen Sie mich als Physiker und BL-Motor Spezialisten an.

Bürstenlose Torque-Motoren
Dies sind Motoren, die ihr hohes Drehmoment vorzugsweise aus dem besonders großen Durchmesser ihres Luftspaltes erzeugen. Weiterhin typisch ist, daß sie innen hohl sind. Normalerweise ist der Stator außen und der Magnetläufer innen, aber auch umgekehrt funktioniert dieser Motor genauso als Aussenläufer. Weiterhin typisch für diese Motoren ist, daß sie ohne Lagerung und Gehäuse geliefert werden, denn der Kunde stülpt den Läufer auf seine bereits für die Aufnahme vorbereitete Welle / Hohlwelle über. Der Stator wird dafür an das Gehäuse zentriert und befestigt. Die in den Statorspulen erzeugte Wärme wird so an das Gehäuse weitergeleitet.

Solche Torque-Motoren sind üblicherweise sog. Langsamläufer, die die Welle ohne Getriebe, also direkt und daher völlig spielfrei antreiben. 1,5 meter Torque-Motor, bürstenbehaftet von Sierracin-Magnedine, California, USA

Torquer werden bürstenbehaftet und bürstenlos angeboten, wobei das Interesse sich immer mehr auf die letzteren konzentriert, weil sie völlig verschleißfrei arbeiten und keine Abriebsverschmutzung erzeugen. Die bisherigen BL-Torquer arbeiten üblicherweise mit 3 Phasen, es gibt hier und da aber auch welche mit 2 und noch seltener mit 4, 6 und 12 Phasen (für militärische Anwendungen). Grundsätzlich lassen sich solche Ringmotoren natürlich mit allen Phasenzahlen realisieren, wobei manche Phasenzahlen zusammen mit der Elektronik singuläre, sehr geschickte Gesamtlösungen erlauben.

Solche Motoren werden in allen Größen hergestellt, von ca. 5 cm bis zu 30 m im Durchmesser (Weltraummotor zum Positionieren von Großlaserkanonen im SDI-Programm der USA). Die gravierenden Probleme mit diesen Motoren sind die großen Kräfte, die von den starken Magneten herrühren: Sie erzeugen störende Haltemomente an Zähnen und Nuten (engl. detent torque oder auch cogging), die sich sehr störend auf einen gewünschten, optimalen Rundlauf auswirken. Auch wenn die Elektronik solche Störungen ausregeln kann, so bleibt ein kleiner Fehler in der Einschwingzeit, der oft nicht toleriert werden kann. Darüber hinaus haben solche Motoren auch Schwankungen im Drehmoment, sog. Momentwelligkeit (engl. ripple-torque), die sich ebenfalls ungünstig auf den erwünschten, absolut ruhigen Lauf auswirken.

Es gibt eine ganze Reihe von Ansätzen, um sich des einen und anderen Effektes zu entledigen, doch beide gleichzeitig weitgehend zu eliminieren ist bis jetzt nicht gelungen. Dies liegt z. T. daran, weil sich diese Motoren nicht perfekt mit einem einfachen mathematischen System beschreiben lassen. Hinzu kommen durch die magnetischen Streufelder z.T. ganz ungewöhnliche Effekte, die sich analytisch schlecht voll einfangen lassen: es wird immer ein Rest von Fehlern übrig bleiben.

Unser Ansatz zielt hierbei auf eine neue Konstruktion des Motors, die wenigstens eine 2-Dimensionale mathematische Beschreibung erlaubt, die also wenigstens im idealisierten Modell Momentwelligkeit und Rastmoment zu Null optimieren kann. Die durch Streuungen dann noch entstehende Fehler müssen iterativ und mit viel Fleiß beseitigt werden. Ein Modell, daß sämtliche Effekte behandeln könnte scheint kaum realisierbar zu sein.

Warum sind aber Torquer für uns interessant?
Es gibt viele Gründe, die beiden wichtigsten sind folgende:


- Torquer arbeiten ohne Getriebe vollkommen spielfrei, und wenn sie richtig eingesetzt werden, sind sie in Maschinen und Robotern der kürzeste Weg zwischen Elektronik und Mechanik.
- Torquer greifen direkt an den Stellen, die üblicherweise in der Mechanik für die größte Stabilität zuständig sind, nämlich an der Peripherie von Übertragungselementen, wie Achsen, Roboterarmen usw. Die Übertragungssteifigkeit ist somit optimal.


Insofern wir also präzisere Maschinen und Roboter bauen möchten, kommen wir nicht an diesen Antrieben vorbei. Bemerkenswert ist der neue Trend der Japaner, sämtliche Gelenke an Manipulatoren und Robotern mit solchen Direktantriebsstationen zu bestücken.

Wenn die Japaner an diesen Stellen ohne Getriebe arbeiten, so hat es sicher einen guten Grund: Japan hat es sich zur obersten Devise gemacht, in sämtlichen Bearbeitungsstufen noch eine Größenordnung genauer zu werden. Das erklärte Ziel ist, die Fertigungstoleranzen soweit zu reduzieren, daß die Gesamtqualität aller gefertigten Produkte für andere praktisch unerreichbar wird! Man sollte sich hüten, den Japanern alles nachzumachen, oder sie für intelligenter zu halten, denn häufig genug machen sie das Falsche richtig und das Richtige falsch. Immerhin haben nun mehrere Firmen wie Yokogawa Precision, Tamagawa Seiki, NSK und andere solche Direktantriebe im Programm. Manche arbeiten nach dem Prinzip eines Reluktanz-Schrittmotors mit großem Durchmesser und feinen Schritten. Die extrem hohe Induktivität solcher Motoren wirkt sich negativ auf die Regeldynamik aus.

Wieso preisen wir aber den bürstenlosen Motor und nicht diese Reluktanzantriebe an?

Weil Reluktanzantriebe bekanntermaßen von der hohen Induktivität und dem kleinen Spalt leben, nicht so der BL-Motor, der ganz bewußt große Magnete als Spalt einsetzt, damit die unerwünschte Induktivität so klein wie möglich wird. Im Positions-Regelungssystem ist nämlich die Induktivität das Nadelöhr für die Steifigkeit, das sog. Gummi im Antrieb. Es genügt also nicht allein, daß statische Drehmoment des Antriebes zu erhöhen, sondern gleichzeitig muß die Steifigkeit verbessert werden. Hierzu haben alle Motoren mit Permanentmagneten grundsätzlich kleinere Induktivität und sind daher der besseren Weg zu höherer dynamischen Steifigkeit, weil die Elektronik die Ströme in die Spulen schneller einprägen kann.

Original Berechnungen vom 27.05.1989 für den 9 Meter Azimut-Motor des VLT-Teleskop-Projekts ESO in Cerro Paranal, Antofagasta / Nordchile.

VLT-Teleskop in sekrechter Position
Es wurden verschiedene Varianten von 100.000 bis 200.000 Nm berechnet, wobei eine geringe Wärmeentwicklung ein wichtiges Kriterium war. Üblicherweise wäre die Auslegung des Drehmoments für Großmaschinen sogar bei 500.000 Nm gewesen.

Folgende Eigenschaften sind kennzeichnend:

- Es ist ein mathematisches Durchflutungsmodell vorhanden, daß eine magnetische Sinusdurchflutung gewährleistet. Hierauf basierend ergibt sich durch diese Durchflutung:
- Der Motor ist im unbestromten Zustand rastmomentfrei.
- Konstant-Moment-Betrieb ist optimal gewährleistet, d. h. die Drehmomentwelligkeit ist im Idealfall gleich Null, oder sehr klein.


Ausführungen werden gezielt darauf gezüchtet, daß die Statorinduktivität so klein wie möglich wird. Daraus folgt die Umkehrung, daß dI/dt so groß wie möglich sein soll. Der Motor kann gegen Störmomente nur so schnell gegenagieren, wie auch der Strom in die Wicklung hineinkommt. Das BL-DC System ist von der Physik her anderen Antriebsprinzipien wie Reluktanz- und Asynchronmotor grundsätzlich überlegen, denn diese benötigen den kleinen Spalt und haben daher eine große, störende Induktivität.

Interessant ist, daß in den Beschreibungen überall nur Angaben über die statische Steifigkeit zu finden sind, während man oft keine Angaben über die dynamische macht. In der Dynamik ist der BL-DC Motor grundsätzlich allen anderen Motorarten überlegen. (Torquemotor 4500 Nm, Werkbild BOSCH-Rexroth)

Ausführungen mit sehr hohem Wirkungsgrad ergeben sich zwangsläufig aus der Konstruktion. Der hohe Kupferfüllfaktor sorgt ebenfalls für kleinste Verluste. Nicht selten erreicht man Wirkungsgrade von über 90%. Wie z.B. im 9 m Azimut-Großmotor vom VLT-Teleskop der ESO in Chile.

- Der thermische Kupferwicklungskontakt zum Stator ist optimal. Auf diese Weise ist der Motor von der guten Wärmekapazität her bestens gerüstet um sehr hohe Impulsbelastungen zu vertragen.
- Die geometrischen Dimensionen sind durchweg kleiner als bei vergleichbaren Motoren. Bei gleichem Außendurchmesser ist die Länge beachtlich kürzer, so daß man damit wesentlich flachere Motoren als die sog. Scheibenläufer bauen kann.
- Ebenfalls lassen sich diese Motoren hohl aufbauen, mit Geber oder einem Getriebe im Mittelraum.


Ausführungen sind möglich mit 2, 3 oder beliebig vielen Phasen. Es ergeben sich einige singuläre Vorteile:

- 6-phasige Motoren können mit nur 4 Halbbrücken betrieben werden.
- In Motoren mit paarzahligen Phasen können besonders geschickt Kommutierungsresolver integriert werden.
- Motoren mit höheren Phasenzahlen haben den Vorteil, daß die verbleibende Rastmomente und Momentwelligkeit stark fällt, wichtig bei höchstpräzisen Antrieben für hochgenaue Werkzeugmaschinen und Teleskope.

Als anzubauende Lagegeber kommen in Frage:
- mehrpolige Resolver
- hochauflösende Inkrementalgeber

Als Kommutierungsgeber kommen in Frage:
- integrierte HF-Resolver
- integrierte Hall-Resolver

Aus der Konstruktion ergibt sich noch ein wichtiger Punkt: Diese Motoren lassen sich bei entsprechendem Design komplett zerlegt transportieren. Ein wichtiges Detail z. B. beim großen Azimutmotor von 9 Metern Durchmesser und 200.000 Nm von ESO für das VLT-Spiegelteleskop.

Bürstenlose Linearmotoren
Der mögliche Verfahrweg ergibt sich aus der Längendifferenz zwischen Stator und Magneten, wobei sowohl die Magnete als auch der Stator bewegt werden können.
Beispiel 1: Stator 500 mm, Magnete 2.500 mm Verfahrweg 2.000 mm, K = 2.500 N
Beispiel 2: Stator 2.000 mm, Magnete 2.500 mm Verfahrweg 500 mm, K = 10.000 N
Weiterhin wird unterschieden zwischen kraftschlüssigen und kraftkompensierten Systemen. Im ersten ziehen sich Magnete und Stator an und müssen über eine entsprechende Führung auf Abstand gehalten werden, im zweiten wird der Stator entweder von 2 Magneten oder der Magnet von 2 Statoren angezogen, wobei sich beide Kräfte dann völlig ausgleichen.

Diese Linearmotoren sind insbesondere gekennzeichnet durch:

- Ein genau berechenbares mathematisches Durchflutungsmodell garantiert einen sauberen 100%igen Sinusbetrieb. Hierauf basierend mit Sinusbestromung folgen daraus:
- rastmomentfrei im unbestromten Zustand
- Konstant-Kraft-Betrieb bei Sinusbestromung, d.h. die Kraftweiligkeit ist theoretisch Null - Ausführungen mit beliebig vielen Phasen, also nicht nur 2 oder 3 Phasen, sondern auch mit 4, 5, 6, 7, 8 … 12 und beliebig vielen Phasen.
- Wesentlich höhere Leistungsdichte und höherer Wirkungsgrad als andere marktüblichen Systeme kennzeichnen diese Linearmotoren. Die Verlustleistung von vergleichbaren Einheiten von bekannten Herstellern in USA lagen um den Faktor 2 höher und darüber.
- Statoren können problemlos mit Wasser gekühlt werden.
- hohe Impulsbelastungen mit 3- bis 5-fachem Strom werden durch eine gute Wärmekopplung der Spulen mit dem Stator problemlos bewältigt.
Konstruktionen in allen möglichen Abmessungen sind problemlos möglich. Das System eignet sich sehr gut, um alle Komponenten zu standardisieren, die sowohl in der Breite als auch in der Länge beliebig kombiniert werden können, um Linearmotoren nach Kundenwunsch schnell und kosten günstig sozusagen "von der Stange" anzufertigen.

- Es können je nach gestellten Priorität z.B. extrem reaktionsschnelle Motoren mit kleinster bewegter Masse konzipiert werden, mit Geschwindigkeiten bis zu 10 m/s.
- Diese Einheiten können u. U. gleichzeitig einen Wirkungsgrad von über 90 % aufweisen.


Aus dem konstruktivem Konzept heraus lassen sich weitere besondere Vorteile ableiten, wie z.B.
- Großmotoren lassen sich problemlos zerlegt spedieren
- Kleinst- und Miniaturmotoren lassen sich zusammenbauen mit vorgewickelten Spulen
- Einzelzahn mit vorgewickelter Spule wird in den Stator hineinmontiert


Angebaute Lagegeber sind möglich als:

- Linear-Resolver (linear Inductosyn)
- Linearmaßstab
- Linearpotentiometer in Leitplastik, mit bis zu 500 Mio. Hübe
- Eingebauter linearer Kommutierungsresolver kann verwirklicht werden. Für weniger genaue Anwendungen könnte dieser auch zum Positionieren verwendet werden.
- Bestimmte Stator-/Magnetkonfigurationen erlauben einfachste geometrische Formen, die eine kostengünstige Fertigung ermöglichen.


Eine der herausragendsten Eigenschaften dieser Motoren ist die extrem kleine Induktivität, die hohes dI/dt. ermöglicht. In Position ist er in der Lage, sehr schnell den Strom gegen Störkräfte aufzubauen und gegen zu regeln. Die Positioniersteifigkeit dieses BL-Linearmotors ist daher um Größenordnungen besser als bei solchen mit Asynchronprinzip (Orig. Syst. Krauss Maffei) und solchen mit Reluktanzprinzip (z.B. Linear-Schrittmotoren), die beide mit kleinem Spalt arbeiten müssen.
Sehr zu denken gibt, daß bei anderen Systemen durchweg nur die statische Steifigkeit gelobt wird, dagegen keine Angaben über die dynamische gemacht wird. Dies sicher nicht ohne Grund, denn es ist sicher die schwächste Stelle an einem Direktantrieb, daß er gegen große Kräfte ohne Getriebe/Spindel auskommen muß.

Zusammenfassend:
Ein Positioniermotor kann nur so gut sein, wie seine Induktivität klein ist. Bei dieser Gelegenheit sollte man den Begriff elektrische Zeitkonstante ganz vergessen, denn bei einer gesteuerten Stromquelle mit unendlichem Innenwiderstand als Speisung spielt der ohmsche Wicklungswiderstand im Regelungsverhalten überhaupt keine Rolle mehr.

Diese Variante eines Linearmotors besteht aus einem Stator als Eisentubus mit konzentrisch eingelegten Spulen in Reihenfolge der 3 Phasen. Der Rotor dagegen besteht aus ringförmigen radialmagnetisierten Nord-Süd- Magnetreihen mit einem nichtmagnetischen Edelstahlmantel als Schutz und Gleitführung.

Hochdynamische Linearmotoren

Durch geometrisch gezielte Konstruktion lassen sich bürstenlose Motoren mit sehr kleinem Trägheitsmoment realisieren. Ziel der Entwicklung ist eine Reihe von 0,1 Nm bis 2 Nm, oder vielleicht bis 3 Nm, die die bisherigen "moving coil" - Motoren von vormals Honeywell / später Pacific Scientific ersetzen kann.

Bisherige Typen der VM/NM-Reihe beschleunigten bei Nennmoment im Leerlauf zwischen 30.000 und 70.000 rad/sec2 und mit 3-fachem Spitzenmoment im Leerlauf zwischen 100.000 und 500.000 rad/sec2.

Es ist uns nunmehr gelungen, diese Beschleunigungs-Schallmauer zu durchbrechen: Die Berechnungen zeigen, daß ein kleiner Motor mit 28 x 28 mm, mit ca. 0,1 Nm Nennmoment, im Leerlauf mit über 200.000 rad/sec2 und bei 5-fachem Spitzenstrom mit ca. 1.000.000 rad/sec2 beschleunigen kann! Weniger sensationelle Werte gelten für größere Modelle, jedoch ist dies nicht weiter tragisch, weil solche Beschleunigungen selten verwertbar sind. Viel wichtiger ist, daß überhaupt ein bürstenloser Motor in der Lage ist, diese bisherigen hochdynamischen Typen zu ersetzen. Sämtliche Vorteile, die für unsere neuartigen BL-Motoren bereits aufgelistet wurden, gelten auch hier.

Folgende Eigenschaften sind kennzeichnend:

- Ein genau berechenbares mathematisches Durchflutungsmodell garantiert einen einwandfreien Sinusbetrieb. Hierauf basierend, mit Sinusbestromung folgen:
- Rastmomentfreier Lauf im unbestromten Zustand
- Konstant-Moment-Betrieb ist möglich, d. h. die Momentwelligkeit ist im Optimalfall Null, oder sehr klein.
- Ausführungen mit beliebig vielen Phasen sind möglich, wobei Ausführungen mit 2 und 3 Phasen eher die wichtigsten sein dürften.
- Wesentlich höhere Leistungsdichte und höheren Wirkungsgrad als die bisherigen bürstenbehafteten Motoren kennzeichnen diese Motoren.


Die Durchmesser dieser neuen Motoren sind bei gleichen Werten durchweg kleiner als bei den bisherigen VM/NM-Typen, so daß nun die Flansche sichtbar größer als die Motoren sind. Auf jeden Fall sollten diese Typen flansch- und wellenkompatibel zu den bisherigen Honeywell-Typen sein, damit ein direkter Austausch/Ersatz problemlos wird. In USA und bei uns sind viele Industrien auf diese Motoren eingeschworen, z.B. Maschinen zur Herstellung von Metallschicht- Präzisionswiderstände und andere elektronische Kleinteile. Auch darf man nicht vergessen, daß die bereits eingesetzten Motoren durch Verschleiß den Kunden z. T. erheb- liche Probleme und Kosten verursachen. Einen Austausch dieser Systeme würden daher viele Anwender zustimmen, allerdings nur, wenn wirkliche Kompatibilität garantiert werden könnte. Und dies ist wohl zu machen.

Zum Beschleunigen und Bremsen benötigen diese Einheiten höhere Ströme als die Nennströme. Die bisherigen freitragenden Korbankerspulen haben eine sehr kleine Wärmekapazität und dies führt immer wieder zu Ausfällen wegen Überlastung. Diese neuen BL-DC Motoren kennen diese Probleme nicht, denn die Spulen sind thermisch mit dem Stator so gut gekoppelt, daß bei Impulsbetrieb kein Schaden entstehen kann. Die Impulsbelastbarkeit steigt somit von 5 bis 20 ms auf nunmehr über das Zehnfache, also ca. auf 50 bis 200 ms und darüber.

Und das ist für solch superdynamische Motoren schon eine neue Dimension!

Somit kann man sagen, daß diese kleinen Motoren nunmehr fast verschleißfrei arbeiten, wenn die Kugellager nicht wären. Diesem Punkt besondere Sorgfalt zu widmen dürfte wichtig sein, denn es ist der 2. Schwachpunkt bei den bisherigen Motoren: jede 2. Reparatur wird verursacht durch Lagerschaden!

Wenn man bedenkt, daß viele Abtriebe mit einem Zahnriemen gelöst werden, der oft viel zu stramm sitzt, so wundert man sich nicht mehr hierüber.
Zu beachten ist auch, daß die Kugellager bei sehr hohen Beschleunigungen durchrutschen können.

Abgesehen von der normalen Ausführung ließen sich diese Motoren auch für hohe Drehzahlen bis zu 100.000 U/min züchten, womit wiederum ein neues Gebiet in High-Tech Sonderantriebstechnik eröffnet wird. Besondere Geber gehören ebenfalls dazu, wie z.B. ein neuer sog. Hall-Resolver, sowie ein neuartiges Eisenmaterial, das bis höchste Betriebsfrequenzen fast ohne Verluste arbeiten kann. Jede Menge Patente....!

Die anzubauenden Lagegeber sind möglich als:
- Resolver mit 10-20 kHz Betriebsfrequenz als Hohlwellen Typen, sog. mini-pancakes
- Inkrementalgeber mit Sonderspur für die Kommutierung
- Leitplastik-Potentiometer, für begrenzte Drehung
- Auch besteht die Möglichkeit, im Motor selbst einen sog. integrierten Resolver einzubauen, der außer zur Kommutierung auch zum Positionieren mit geringerer Genauigkeit reichen würde. Patent !

Prüfaufbau an einem HF-Synchro-Lagegeber für einen hochdynamischen BL-DC-Motor

Diese Motoren lassen sich mit getakteten oder mit linearen Endstufen betreiben, wobei immer angestrebt werden sollte, daß der durch die Motorinduktivität verursachte Tiefpass nicht die Regelstrecke unnötig verlangsamt. Wenn also eine Induktivität von z.B. 0,1 mH getaktet versorgt wird, so ist entsprechend die Taktfrequenz auf höhere Frequenzen als bisher zu verlagern, z.B. von ca. 50 bis max. 200 kHz. Solche Endstufen wurden bereits mit viel versprechendem Erfolg im Labor realisiert. Solche Details sind kaum patentfähig.

Diese hochdynamischen Motoren zeichnen sich aus durch höchste Wellensteifigkeit gegen Störmomente. Hierzu ist es notwendig, nicht nur die Induktivität so klein wie möglich zu machen, sonder auch Wellenresonanzen zu vermeiden. Probleme? Wenn man nur will, kann man alles.

Hochdynamische Bürstenlose Linearaktuatoren
Moving Coil Motoren


Dies sind Linearmotoren mit begrenztem Hub, z. B. +- 1 mm bis ca. +-10 mm, je nach Wunsch. Sämtliche Vorteile, die bei linearen BL-Motoren aufzulisten sind, gelten auch hier, jedoch insbesondere:

- Kraftvektor genau proportional dem Strom erlaubt eine einfache und genaue Kraftregelung
- Einfache Ansteuerung mit nur 1 Phase aus linearen oder getakteten Reglern
- Hoher Kraftvektor bei kleinstem Volumen (siehe auch Entwurf LA300 von ESO/Garching)
- Kann als Linearservomotor mit hoher Steifigkeit und Dämpfung ausgelegt werden

- Extrem reaktionsschnell, da kleinste bewegte Masse
- unendliche Auflösung bis in den sub-μ-Bereich


- Kleinste Induktivität, hohes dI/dt, bewiesenermaßen um Größenordnungen dynamischer als so genannte eisenbehaftete Linearaktuatoren bei vergleichbaren Werten und Volumen


- Hohe Impulsbelastung mit Faktor 3-5 möglich

- Konstruktionen für besondere Anforderungen sind möglich:
- je nach Abmessungen
- je nachdem, ob z.B. die bewegte Masse, die Induktivität oder die Verlustleistung optimiert werden soll
- mit integrierter Linearführung oder flexibler Aufhängung
- Kann zusätzlich Luftgekühlt werden -z. B. als Leistungsvibrator hoher Leistung.
- Extrem robust: Bewegte Teile können z.B. aus Glasfaser und Titan gefertigt werden und somit sehr hohe Kräfte und Beschleunigungen ohne Schaden überstehen bis in den Material-Resonanz-Frequenzbereich, (je nach Dimensionierung bis in den kHz-Bereich).

- Angebaute Lagegeber sind möglich als: - Linearresolver (Linear Inductosyn)
- Linearmaßstab
- als Linearpotentiometer in Leitplastik mit bis zu 500 Mio. Hüben

- Besondere Anwendungen und Ausführungen:
- integrierter Lagegeber möglich als HF-LDT oder als HF-Resolver
- Unrund-Drehmaschinen-Antrieb, Linearfräser und Säge-Antrieb eingesetzt werden für neuartige Bearbeitungsmaschinen, auch mit diamantbestückten Werkzeugen, Hochleistungs-Reibahle, etc.
- Vergleichsweise billig herzustellen


Unzählige innovative Hightech Anwendungsmöglichkeiten und unzählige Patente auf allen Gebieten der Technik warten auf die Realisierung dieser Möglichkeiten.

Die Zuführung der Anschlüsse wird gelegentlich mit flexiblen Leitungen wie bei Lautsprechern gelöst, aber es gibt hier auch neuartige Lösungen zusammen mit der Zentrierung/Aufhängung des Systems. Bei Vorrichtungen zum Bearbeiten/Löten/Bonden von Halbleitern werden diese Sputen auch fixiert angeordnet und der Magnetkreis bewegt. Die Kühlung bei Vibratoren sehr großer Leistung wird z. T. mit Preßluft gelöst. Bei großen Vibratoren kann man auch die Spulen in die Eisenarmatur integrieren, was dann zwangsläufig zu höherer Induktivität führt. Um diese dann wieder zu verkleinern gibt es dann besondere Konstruktionen.

Bürstenlose Rotationsaktuatoren

Dies sind Motoren mit eingeschränktem Rotationswinkel. Sie werden überall dort benötigt, wo der Motor ständig zwischen 2 Winkellagen hin und her pendelt oder positioniert, z.B. um +-45 Grad, um eine Klappe oder ein Ventil zu verstellen und hierbei kein Bürstenverschleiß hingenommen werden kann. Sämtliche Vorteile, die für rotatorische Motoren aufgelistet wurden, gelten ebenso für diese Aktuatoren, jedoch insbesondere:

- Das Drehmoment ist dem Strom genau proportional, dies erlaubt eine einfache und genaue Momentregelung. Die Ansteuerung geschieht mit nur 1 Phase aus einer linearen oder getaktete bipolaren Stromquelle.
- Großes Moment bei kleinstem Volumen kennzeichnen diese Aktuatoren, die bisherige Modelle von weltbekannten Anbietern zur 2. Wahl machen.
- Sie sind extrem reaktionsschnell, da diese eine kleine Rotormasse haben.
- Über den Nennstrom hinaus sind diese Aktuatoren mit einem 1,5 - 2-fachen Impulsstrom kurzzeitig belastbar.

Besondere Konstruktionen sind möglich, wenn

- fertige Spulen zum Einsatz kommen
- der Stator geblecht werden soll
- wenn der Stator aus Eisenpulver gepreßt wird
- es ein preiswertes Massenprodukt werden soll

Die geringe Eisenpakethöhe sowie die kurzen Wickelköpfe machen diese Aktuatoren zum einem flachen Ring. Die Abbildung zeigt ein Laborprototyp eines “Limited-Angle-Torquer” für eine stabilisierte Plattform auf einem Tornado. Der Wirkungsgrad ist beachtlich: im gleichen Volumen konnte für MBB bei 6 Nm und 136 mm Durchmesser eine Verlustleistung von 80 W genügen, statt bisher 340 W eines anderen Anbieters.

- Angebaute Winkelgeber sind möglich als
1. Resolver
2. Inkrementalgeber
3. Potentiometer in Leitplastik mit mindestens 500 Mio. Zyklen
4. integrierter Lagegeber sind möglich als HF-Resolver

- Einsatz als Rotationsvibratoren hoher Leistung - der vollkommen verschleißfrei arbeitet.
- Kann als Robotik-Wendestation arbeiten mit hoher Positioniergenauigkeit und Dynamik mit 1-phasiger Ansteuerung !
- Unzählige innovative Hightech Anwendungsmöglichkeiten
- Unzählige Patente sind möglich auf allen technischen Gebieten

Bild links zeigt einen einphasigen Stellmotor mit einem Winkelverstellbereich von ca. +-160°. Ähnliche Systeme können mit kleineren Verstellwinkeln und dafür mit höherem Drehmoment ausgelegt werden.
Bild rechts. Der zugehörige Eisenring wird auf den magnetischen AL-Wert vermessen um die Sättigungsgrenze zu bestimmen.

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