Foto: Maxon Motor

Antriebe

Welche Anforderungen haben mobile Roboter an Antriebe?

Mobile Roboter, die den Menschen unterstützen, haben besondere Anforderungen an die Antriebstechnik. Welche das sind, erklärt Maxon Motor.

Ob Inspektionsroboter für Röhren und Kanäle, Rettungsroboter in Katastrophengebieten oder Humanoid-Roboter – sie alle haben eines gemeinsam: Es sind mobile Roboter, die den Menschen unterstützen.

Eine der wesentlichen Anforderungen an Antriebe mobiler Roboter ist eine hohe Leistungsdichte. Bei Robotern meint dies in den meisten Fällen ein hohes Drehmoment auf möglichst kleinem Bauraum. Was die Drehzahl betrifft, genügen in der Robotik meist Drehzahlen von unter 1000 min-1, auch für schnelle Bewegungen.

Gleichstrommotoren für eine hohe Leistungsdichte

Gleichstrommotoren sind die erste Wahl, wenn es um eine hohe Leistungsdichte geht. Sie eignen sich wegen ihres hohen Anlaufmoments gut für Beschleunigungsaufgaben. Typische Beispiele für solche DC-Motoren sind die eisenlosen Maxon Motoren mit und ohne Bürsten. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Diese schnelldrehenden Motoren sind in der Regel lang und schmal, das Drehmoment ist eher gering. Um die in der Robotik geforderten hohen Drehmomente zu erreichen, werden sie mit Getrieben kombiniert. Wenn eine lineare Bewegung mit hoher Kraft gefordert wird, kann eine entsprechend gestaltete Mechanik mit hoher Untersetzung die Vorteile von schnelldrehenden Motoren noch immer ausspielen. Beispiele sind Spindeln mit kleiner Steigung oder Rollen und Räder mit kleinem Durchmesser.

Mehrpolige Motoren für ein höheres Drehmoment

Höhere Drehmomente können durch eine Erhöhung der Zahl der Magnetpole erreicht werden. Die EC-4pole-Motoren von Maxon sind ein erster Schritt in diese Richtung. Vielpolige bürstenlose Gleichstrommotoren sind oft mit einem genuteten Eisenkern ausgeführt. Sie geben die Leistung tendenziell bei einem höheren Drehmoment und einer tieferen Drehzahl ab.

Flachmotoren mit Außenläufer erzeugen die Kraft auf größtmöglichem Abstand zur Drehachse, was eine vergleichsweise hohe Drehmomentdichte ergibt. Das Trägheitsmoment des Rotors ist aber ebenfalls hoch, was die Dynamik einschränkt. Bürstenlose EC-Flachmotoren sind wegen ihrer konventionellen mehrzahnigen Wicklung mit Eisenkern und der Verwendung eines isotropen Permanentmagnetrings, der in einem Schritt magnetisiert wird, kostengünstig herstellbar.

Die EC-i Motoren von Maxon sind mehrpolige Innenläufer, was neben dem hohen Drehmoment auch eine kleine Massenträgheit ergibt. Als Resultat sind diese Motoren extrem dynamisch und weisen eine kleine mechanische Zeitkonstante von teilweise unter 1ms auf.

Torque-Motoren mit hoher Polzahl für dynamische Anwendungen

Beispiele für Motoren mit sehr hoher Polzahl sind Torque-Motoren: langsam drehende, drehmomentstarke Elektromotoren mit Hohlwelle. Oft frameless bestehen sie nur aus Rotor und Stator und werden in die Anwendung hineinkonstruiert. Weitere Elemente wie Getriebe, Riemen, Kupplungen oder Lagerungen können so eingespart werden. Diese spielfreien Direktantriebe kommen typischerweise in dynamischen Anwendungen mit steifer Regelung zum Einsatz. Linearantriebe sind ein Spezialfall. Torque-Motoren benötigen aufgrund der vielen Pole hohe Schaltfrequenzen. Die dabei entstehende Wärme muss gegebenenfalls über eine Wasserkühlung abgeführt werden. Torque-Motoren erfüllen zwar die Anforderungen bezüglich Drehmoment und Dynamik von mobilen Robotikanwendungen perfekt. Die fehlende Standardisierung und die nötige Integration in die Konstruktion machen ihren Einsatz jedoch kostenintensiv. In Robotern werden deshalb bevorzugt die modularen flexiblen Motor-Getriebe-Kombinationen verwendet. Der Motortyp und die Bauform richten sich dabei nach den spezifischen Anforderungen an Leistung, Bauraum und – nicht zu vergessen – den Kosten.

Eisenlose DC-Motoren in Kombination mit Getrieben

Nachteile: Geringerer Gesamtwirkungsgrad

Der Einsatz eines Getriebes kann den Gesamtwirkungsgrad verkleinern. Eine präzise Regelung ist aufgrund des Getriebespiels nur mit größerem Aufwand realisierbar, oder es wird ein teures spielfreies Getriebe verwendet. Je nach Einbausituation können lange, schmale Motor-Getriebe-Einheiten oder Flachmotoren vorteilhaft sein.

Vorteile: Kleinere Dimensionen möglich

Die DC-Motoren können mit hoher Spannung betrieben werden, die Ströme bleiben damit absolut gesehen kleiner. Die erforderlichen Kabelquerschnitte, Abschirmungen und Regler können kleiner dimensioniert werden, was Kosten, Gewicht und Bauraum spart.

Mit freundlicher Unterstützung von Maxon Motor

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