Haben Sie schon mal einen gehäuselosen Motor in Betracht gezogen?

Unter einem bürstenlosen Gleichstrom-Servomotor stellen sich die meisten Ingenieure ein Gehäuse mit einem Flansch für Montageschrauben, Konnektoren für Strom- und Datenkabel und einer Rotorwelle zur Kopplung an die Last vor.

Innen befindet sich üblicherweise ein Stator aus einem genuteten Lamellenpaket, das mit Kupferwicklungen gefüllt ist. Im Inneren des Stators befindet sich ein Rotor mit Permanentmagneten, die mit dem elektromagnetischen Feld des Stators interagieren und eine Drehbewegung erzeugen. Der Permanentmagnet-Rotor ist an einer Welle befestigt, die beidseitig durch Lager gestützt ist, wodurch eine ungehinderte Drehung möglich ist. Außerdem kann ein Rückführsystem integriert sein.

So sehen die meisten Servomotoren aus. Doch was, wenn alle Elemente außer Rotor und Stator – Gehäuse, Welle, Konnektoren, Lager und integriertes Rückführsystem – entfernt werden?

Das ist im Grunde der Aufbau eines gehäuselosen Servomotors, eine Konstruktion, die bei gewissen Anwendungsfällen viele Vorteile und Chancen bietet. Lesen Sie hier, in welchen Fällen ein gehäuseloser Motor sinnvoll ist und wie Sie ihn in Ihre Maschine integrieren können.

Vorteile von gehäuselosen Motoren

Ein gehäuseloser Motor besteht nur aus Stator und Rotor und kommt ganz ohne Gehäuse, Lager und andere Komponenten aus. So erzielt man eine hohe Drehmomentdichte bei kompakter Bauweise. Da der Motor kein eigenes Gehäuse hat, kann er direkt in die mechanische Konstruktion der Maschine integriert werden. Anstelle eigener Lager kann er die vorhandene Welle und die Lager der Maschine verwenden.

Daher sind gehäuselose Servomotoren oft die ideale Wahl bei kompakten, übergeordneten Baugruppen (z. B. Rotationsaktuatoren), wobei das höchstmögliche Drehmoment und die größte Präzision bei höchst kompakter Bauweise erreicht werden sollen.

Ein direkt in die Maschine integrierter gehäuseloser Motor ermöglicht auch Schutz vor extremen Umweltbedingungen, beispielsweise bei der Hochdruck-Strahlwasserreinigung oder bei Anwendungen unter Wasser. Gehäuselose Motoren machen Maschinen leichter, kompakter und präziser. Außerdem ist der Wartungsaufwand geringer.

So integrieren Sie einen gehäuselosen Motor in Ihre Konstruktion

Trotz seiner Vorteile ist es schwieriger, einen gehäuselosen Motor in eine Konstruktion zu integrieren, als einen Motor mit Gehäuse anzuschrauben und mit der Last oder dem Getriebe zu koppeln. Im Folgenden erhalten Sie einen Überblick darüber, welche Punkte Sie in Bezug auf die Konstruktion berücksichtigen sollten.

Bestimmen Sie zunächst die Komponenten, die Sie zur Vervollständigung des mechanischen Systems mit gehäuselosem Motor benötigen:

• Getriebe. Gehäuselose Motoren werden häufig eingesetzt, um die Last direkt anzutreiben – ohne Getriebespiel, Nachgiebigkeit oder Antriebsverlust. Falls zur Erhöhung des Drehmoments ein Getriebesystem erforderlich ist, haben Sie unter anderem die Wahl zwischen einem kompakten Stirnradgetriebe, einem Planetengetriebe, einem Zykloidgetriebe oder einem Wellgetriebe (Spannungswellengetriebe). Ein Wellgetriebe eignet sich besonders für Anwendungen, die ein hohes Untersetzungsverhältnis in möglichst kompakter Bauform ohne Getriebespiel erfordern.
• Rückführgerät. In den meisten Fällen sollten Sie einen Encoder verwenden (absolut oder inkrementell, je nach Anwendungsfall). In besonders rauen Umgebungen ist ein Resolver möglicherweise die bessere Wahl. Ein Resolver ist ein Rückführgerät, das die Rotorposition erfasst, um die Geschwindigkeitssteuerung und Positionsregelung im geschlossenen Regelkreis zu ermöglichen. Hall-Messungen am Encoder oder ein spezieller, in den Motor integrierter Hall-Effekt-Sensor liefert die erforderlichen Informationen, damit der Servoantrieb den Strom kommutieren kann, mit dem der Motor versorgt wird.
• Bremsen. Möglicherweise bedarf es elektromagnetischer oder mechanischer Bremsen, um im Fall eines Stromausfalls oder eines anderen Systemfehlers Haltemoment zu erzeugen und Sicherheit zu gewährleisten (insbesondere für vertikale Anwendungen). Mit einer Bremse kann eine Last auch in einer stabilen Position „geparkt“ werden, wenn der Motor abgeschaltet ist.
• Lager. Der gehäuselose Rotor wird direkt auf der Maschinenwelle montiert und ist durch seine eigenen Lager selbsttragend. Sie müssen Ihre Maschine nicht komplett umbauen, doch Sie müssen wissen, wo sich die Welle und die Lager befinden und wo an der Welle der Rotor montiert werden kann. Sobald diese Position feststeht, können Sie das Gehäuse für den Stator hinzufügen.

Berücksichtigen Sie als Nächstes folgende Elemente des Maschinendesigns:

• Bauform. Sind Ihre mechanischen Ausführungsmöglichkeiten durch den Durchmesser oder die Länge des Motors eingeschränkt? Gehäuselose Motoren gibt es als Scheibenläufermotor (kürzere Axiallänge) und als Servomotor (längere Axiallänge). Lässt Ihr Anwendungsfall eine relativ kompakte Axiallänge zu, können Sie einen Scheibenläufermotor mit größerem Durchmesser verwenden, sodass Sie die Vorteile der D²L-Regel für die höchstmögliche Drehmomentdichte nutzen können.
• Wärmeableitung. Da der gehäuselose Stator direkt in die Maschine eingebaut ist, muss das Gehäusematerial, das den Stator umgibt, wärmeabführend sein. In unmittelbarer Nähe des Stators muss die Dicke der Wand in der Regel mindestens 4–6 mm betragen. Das geeignetste und meistverwendete wärmeleitfähige Material für diesen Zweck ist Aluminium. Stahl ist ebenfalls eine gute Wahl, doch manche Edelstahllegierungen leiten Wärme weniger gut ab und sollten nur nach gründlicher Prüfung der Konstruktion verwendet werden.
• Thermische Grenzen. Überlegen Sie, wie sich der Motor in die Baugruppe einfügt und welche Auswirkungen das auf die Wärmeentwicklung im mechanischen System hat. Wie wirkt sich beispielsweise ein Motor mit einer maximalen Wicklungstemperatur von 155 °C auf die Schmiermittel und die elektronischen Komponenten auf engstem Raum in einem Rotationsaktuator aus? 
  
  Auch bei effektiver Wärmeableitung kann es sein, dass die Temperatur im Abstand von drei bis fünf Zentimeter zum Motoranker nur 15–20 °C niedriger liegt. Stellen Sie sicher, dass hitzeempfindliche Komponenten ausreichend Abstand zum Motor haben und/oder verwenden Sie einen Motor, der das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahl bei einer niedrigeren maximalen Wicklungstemperatur erreicht. Mit den Design-Tools auf der Kollmorgen Website können Konstrukture überprüfen, welche Leistung unsere gehäuselosen Motoren bei den thermischen Grenzen ihrer Anwendung erbringen würden.
• Temperatursensoren. Temperatursensoren können eine Überhitzung des Motors anzeigen. Ein PTC-Temperatursensor (Positive Temperature Coefficient) am Servoantrieb kann dafür sorgen, dass das System bei Bedarf sicher abgeschaltet wird. Bei der Entwicklung von Prototypen ist es empfehlenswert, mit einem linearen Thermistor zu messen, wie heiß der Motor bei dem gewünschten Lastpunkt (Drehzahl/Drehmoment) wird. Bei fortschrittlichen Steuerungssystemen können Sensoren auch messen, ob der Motor überlastet ist, und anzeigen, wann eine Wartung fällig ist.
• Herstellbarkeit der Konstruktion. Beim Entwerfen eines Antriebssystems wie einem Rotationsaktuator sollten Sie vom Endergebnis ausgehen und berücksichtigen, welche Arbeitsschritte und Kosten mit der Herstellung und Wartung einhergehen. Bedenken Sie, dass der Bau eines Prototypen nicht dasselbe wie eine Massenproduktion ist. Vergewissern Sie sich, dass Sie alle Ihre Komponenten aus verlässlichen Quellen beziehen und einen klaren Montageprozess entwickelt haben. 
  
  Berücksichtigen Sie auch die starken Magnetkräfte im Permanentmagnet-Rotor. Stellen Sie alle notwendigen Spezialwerkzeuge und Befestigungen für eine sichere Montage des Motors bereit.

Das spricht für gehäuselose TBM2G-Servomotoren

Kollmorgen bietet im Rahmen unserer bewährten Serien TMB und KBM und unserer innovativen Serie TBM2G eine breite Auswahl an gehäuselosen Servomotoren an. Wir bieten Busspannungen von 24–680 V DC, Lösungen für Anwendungsfälle mit hohem Drehmoment und hoher Drehzahl sowie Geräte für reguläre, raue und extreme Umgebungen. Kollmorgen hat für jeden Anwendungsfall, bei der gehäuselose Servotechnologie zum Einsatz kommt, die richtige Lösung parat.

Die TBM2G-Serie, unsere neueste und innovativste Motorenfamilie, verwendet ein Torque-Design, um die höchste Drehmomentdichte in einem extrem kompakten elektromagnetischen Paket zu bieten. Wenn der Torquer-Formfaktor zu Ihren Anwendungsanforderungen passt, sprechen die folgenden Gründe für TBM2G:

• Hoher thermischer Wirkungsgrad. TBM2G-Motoren sind im Unterschied zu anderen Motoren, die eine maximale Wicklungstemperatur von 155 ºC haben, darauf ausgelegt, bei einer Wicklungstemperatur von nur 85 °C hervorragende Leistungen zu erbringen. (Sie können aber auch bei der maximalen Wicklungstemperatur von 155 ºC eine höhere kontinuierliche Leistung erzielen.) 
  
  Dank der geringen thermischen Erwärmung der TBM2G-Motoren sind sie gut für den Einsatz auf engem Raum geeignet, wo höhere Temperaturen die Schmiermittel für Lager und Getriebe, die Rückführelektronic und andere hitzeempfindliche Komponenten beschädigen könnten.
• Eine breite Größenauswahl. TBM2G-Motoren sind auf eine Busspannung von bis zu 48 V DC ausgelegt und sind in sieben Baugrößen (Durchmesser 50–115 cm) erhältlich, wobei Sie jeweils zwischen drei Motorlängen (8, 13, 26 mm) und drei Wicklungsvarianten (A, C, D) wählen können. Unter den insgesamt 63 standardmäßigen Konfigurationen finden Sie praktisch immer das richtige Produkt für Anwendungsfälle mit Niederspannung.
• Bereit zum Skalieren. Kollmorgen stellt Prototypen mindestens genauso schnell bereit wie unsere Mitbewerber und lässt bei der Qualität keine Abstriche zu. Darüber hinaus können wir Ihr fertiges Design in kurzer Zeit skalieren und die Produktion in vollem Umfang aufnehmen, damit die Markteinführung Ihrer Maschine zuverlässig gelingt. Dabei legen wir Wert auf absolute Regelmäßigkeit.

Sind gehäuselose Motoren das Richtige für Sie?

Gehäuselose Motoren vereinfachen zwar den Antrieb, doch sie in eine optimierte mechanische Konstruktion einzubauen, ist eine komplexe Angelegenheit. Wir klären gerne alle Ihre Fragen. Nehmen Sie mit den Experten von Kollmorgen Kontakt auf, um zu erfahren, ob gehäuselose Motoren zu Ihren Anwendungsfällen passen.