Der Maxon Door Drive integriert kompakt einen BLDC Motor, Getriebe, Encoder, Positioniersteuerung.
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Antriebe

Auf was es bei kompakten Antriebssystemen ankommt

Interdisziplinär zu erfolgreichen Antriebssystemen: Die Voraussetzungen gehen weit über den rein konstruktiven Aspekt und die Motorwahl hinaus.

Was ist bei kompakten Antriebssystemen wichtig? Die Antriebstechnik ist ein Grundstein für die Performance von Maschinen, Robotern und Handgeräten. Die Bedingungen dazu gehen jedoch weit über einen rein konstruktiven Aspekt und die Motorwahl hinaus. Es sind interdisziplinäres Denken, spezifisches Ingenieurswissen, breite Erfahrung und ein klares Verständnis der Anforderungen gefragt.

Im Fokus jedes technischen Fortschritts sollte die Anwendung stehen

Ein verbessertes Leistungsmerkmal oder eine neue Technologie muss einen Nutzen in Form von besserer Qualität und / oder reduzierten Kosten generieren. Unter dem Blickwinkel der Antriebstechnik in Maschinen und Handgeräten bedeutet dies:

  • Eine gesteigerte Antriebsdynamik erhöht den Produktionsdurchsatz. Eine schnellere Antriebsregelung verbessert die Präzision und Qualität der produzierten Güter.
  • Ein höherer Wirkungsgrad des Antriebssystems optimiert die Energieeffizienz des Gesamtsystems. Um diese Ziele zu erreichen, ist die Auswahl und Bewertung des Antriebssystems im Gesamt-Kontext der Anwendung und deren Anforderungen notwendig.

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Die Komponenten eines Antriebssystems

Diese zwei Aspekte sind bei der Konzeption von Antriebssystemen wichtig

1. Den Blickwinkel erweitern

Bei der Auslegung und Optimierung von Antriebssystemen müssen als erstes die technischen und kommerziellen Anforderungen des Endsystems, zum Beispiel der Maschine, des Roboters oder eines Handgeräts, verstanden und korrekt priorisiert werden. Man sollte sich nicht zur einseitigen Betrachtung und Optimierung beschränkt auf das eigene Kompetenzfeld verleiten lassen. Die Antriebsauswahl wird häufig primär durch die Konstruktion vorgenommen. Die Leistungsfähigkeit, Kosten und Limitierungen von Antriebslösungen werden aber durch eine Vielzahl von Faktoren und anderen Systemkomponenten massgeblich beeinflusst. Es ist deshalb entscheidend, bereits bei der Idee und der Konzeptphase das Know-how von Experten diverser Fachrichtungen einzubeziehen.

2. Experten-Pools nutzen

Systemdenken und Interdisziplinarität sind zwei gewichtige Erfolgsfaktoren bereits ab der Konzeptentwick-lung bis zur Umsetzung in der Serie. Häufig können aber nicht alle Kompetenzen im eigenen hausinternen Umfeld gleichwertig abgedeckt werden. Externe Partner mit einem breiten Erfahrungsschatz bieten die Chance für einen erweiterten interdisziplinären Erfahrungsaustausch. Idealerweise ist der Partner zudem in der Lage die Verantwortung für die Entwicklung und Produktion von Teilsystemen zu übernehmen. Hierdurch werden Entwicklungsrisiken reduziert und eine verkürzte Time-to-Market erreicht.

Antriebssysteme und Engineering mit Erfahrung und Know-how

Maxon bietet mit mehr als 50 Jahren Erfahrung und über 2600 Mitarbeitenden weltweit ein breites Know-how über den „reinen“ Antriebsmotor hinaus. Das Portfolio deckt mit eigener Entwicklung und Produktion bürstenlose und bürstenbehaftete DC Motoren, Getriebe, Spindeln, Encoder, Motorsteuerungen, Master-Steuerungen und Batteriemanagement-Systeme ab. Maxon Komponenten und kundenspezifisch entwickelte Antriebssysteme werden in der Robotik, Medizin- und Labortechnik, Industrieautomation, Automobilindustrie und in der Luft und Raumfahrt von der Erde bis zum Mars eingesetzt. Entscheidend ist bei vielen Projekten häufig nicht nur das breite Produktportfolio, sondern die Interdisziplinarität und langjährige Erfahrung der Maxon Application Teams, sowie die Möglichkeit zur Entwicklung komplett neuer Antriebslösungen. Maxon’s Motor-, Getriebe-, Elektronik- und Regelungsexperten stehen bereits bei Ideendiskussionen zur Verfügung und kennen die Anforderungen spezifischer Anwendungsfelder.

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Warum die Abdeckung verschiedener Bereiche von Vorteil ist

Die Abdeckung unterschiedlicher Kompetenzfelder für ein Antriebssystem ist entscheidend. Das wird bei der Betrachtung der Einzelkomponenten und deren Einflussfaktoren verständlich.

Fokus „Master“

Eine übergeordnete „Intelligenz“, als Master bezeichnet, überträgt der Motorsteuerung die Bewegungsvorgaben und fragt Prozessinformationen (z.B. Drehmoment, Drehzahl, Position, Status) ab.

  • Die konzeptionelle Aufteilung der Aufgaben zwischen dem Master und der Motorsteuerung ist massge-blich für die benötigte Leistungsfähigkeit und Auswahl von Master, Motorsteuerung und Kommunikati-onsschnittstelle.
  • Sollen in Maschinen die Daten schnell zyklisch (z.B. jede Millisekunde) ausgetauscht werden, sind ein Master mit Echtzeitbetriebssystem (z.B. SPS) und eine schnelle Schnittstelle (z.B. CAN, Ethercat) notwendig.
  • Sollen komplexe Bewegungsabläufe autark in der Motorsteuerung vorkonfiguriert und ausgeführt wer-den, reicht ein PC, wie häufig in der Laborautomation eingesetzt, oder ein Microcontroller in Handgeräten, zum Beispiel bei Schraubern und Bohrern in der Industrieautomation oder Medizintechnik.

Fokus „Motorsteuerung“

Die Motorsteuerung ist das Bindeglied zwischen dem übergeordneten Master und den Motoren sowie Feedback-Gebern (z.B. Encodern). Die Strom-, Drehzahl- oder Positionsbefehle werden über die Regler und Leistungsendstufe in Spannungen sowie Ströme in den Motorphasen umgesetzt.

  • Schnelle Reglertakte und komplexe Regelalgorithmen ermöglichen präzise und dynamische Antriebsbewegungen.
  • Moderne Leistungsendstufen stellen die notwendigen Spitzenströmen für schnelle Beschleunigungen zur Verfügung und besitzen eine hohe Energieeffizienz. Motorfilter reduzieren EMV-Effekte.

Fokus „Encoder“

Für die Drehzahl- oder Positionsregelung werden Feedback-Geber zur Rückmeldung der aktuellen Lage der Motor- und / oder Abgangswelle benötigt. Die Auflösung und Montage dieser Geber bestimmt wie präzise eine Positionierung theoretisch möglich ist.

Fokus: Motor

Der Motor wandelt die elektrische in mechanische Energie, d.h. in Bewegung und Drehmoment.

  • DC / BLDC Motoren mit hoher Überlastfähigkeit können kompakter ausgelegt werden, da kurzzeitig hohe Drehmomente für dynamische Beschleunigungsvorgänge zur Verfügung stehen.
  • Motoren mit geringem Rotorträgheitsmoment reduzieren den Drehmomentbedarf für die Beschleunigung des eigenen Rotors und steigern die Energieeffizienz und Dynamik.
  • Ein hoher Wirkungsgrad des Motors bedeutet eine hohe Energieeffizienz und reduziert zudem die Eigenerwärmung, was gerade in Handgeräten ein wichtiger Faktor ist.

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DC / BLDC Motoren und Positioniersteuerunge aus dem Portfolio von Maxon.

Fokus „Getriebe“

Präzision, Spiel, Elastizität und Wirkungsgrad vom Getriebe und der Mechanik

  • … bestimmen die abgangsseitige Positioniergenauigkeit.
  • … beeinflussen die Dynamik, d.h. die Zeitspanne, nach welcher die Zielposition stabil erreicht ist.
  • … beeinflussen die Energieeffizienz.

Zu beachtende Herausforderungen

Integration

Für die möglichst kompakte Integration aller Komponenten in einer Einheit müssen die thermischen Aspekte durch die gegenseitige Erwärmung im Belastungsfall berücksichtigt werden. Arbeitspunktberechnungen und thermische Bewertungen des Elektromotors und des Elektronik-Designs sind bereits in einer frühen Phase für das „Proof of Concept“ notwendig um teure Redesigns zu vermeiden.

Batteriebetrieb

Bei batteriebetriebenen Anwendungen sind Kompetenzen in der Energieeffizienz-Optimierung und dem Akkumanagement gefordert.

Ein Beispiel: Integriertes Antriebssystem „Türantrieb“

In Aufzügen werden täglich mehrere Milliarden Menschen transportiert. Ausser dem Hauptantrieb braucht es extrem kompakte Türantriebe, die im engen Bauraum oberhalb der Tür montiert sind. Die „intelligenten“ Antriebe empfangen über ein Bus-System die Befehle zum Öffnen und Schliessen der Türen und müssen diese zuverlässig ausführen, sowie hohen Sicherheitsanforderungen genügen.

Maxon hat gemeinsam mit einem führenden Aufzugshersteller den Maxon „Door Drive“ entwickelt, mit welchem Türen bis zu 400 kg Gewicht bewegt werden können. Das geräuscharme und energieeffiziente Antriebssystem integriert in einer kompakten Einheit den drehmomentstarken Maxon EC 90-flat Motor mit Encoder und optionaler Riemenübersetzung sowie eine Epos Positioniersteuerung. Der Datenaustauch erfolgt über CAN. Spezifische Regelalgorithmen und Überwachungen gewährleisten eine sanfte, aber trotzdem dynamische Türbewegung, präzise Positionierung und den Klemmschutz.

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Der Maxon Door Drive integriert kompakt einen BLDC Motor, Getriebe, Encoder, Positioniersteuerung.

Maxon hat das System zusammen mit dem Kunden konzipiert und entwickelt. Dabei ist das interdisziplinäre Know-how von Experten aus der Anwendungs- und Sicherheitstechnik, Konstruktion, Reglungstechnik, Elektronikentwicklung, Thermodynamik und Software eingeflossen. Eine solche Lösung ist nicht nur durch das Kombinieren von Einzelkomponenten zu erreichen, sondern erfordert die Fähigkeit eine neue Antriebslösung gezielt auf den Anwendungsfall zu designen. Maxon ist hierfür der Partner bei Antriebssystemen, Steuerungen und Batteriemanagement.

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Die Epos 4 Micro 24/5 CAN ist ein miniaturisiertes OEM Positioniersteuerungs-Modul für die Integration in einachsige oder mehrachsige Motion Control Systeme. Geeignet für die Ansteuerung eines bürstenbehafteten DC-Motors mit Encoder oder eines bürstenlosen EC-Motors (BLDC) mit Hallsensoren und Encoder bis 120 Watt / 360 Watt.

Die Idee: Spezifische Systemlösungen gemeinsam erarbeiten

„Eine Kette ist nur so stark wie das schwächste Glied“. Bei der Entwicklung und Auslegung von kompakten Antriebssystemen gilt dies ebenfalls. Ingenieurswissen und Erfahrung in der Konstruktion, Elektro- und Regelungstechnik, sowie Elektronik- und Software-Entwicklung sind für die Optimierung auf den Anwendungsfall gefordert. Maxon ist es wichtig, den Kunden von der ersten Idee bis über die Serie hinaus zu begleiten und bei Bedarf auch spezifische Systemlösungen gemeinsam zu erarbeiten.

Mit freundlicher Unterstützung von Maxon

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