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InnovationsForum Automation 2017: Wittenstein AG Technologie und Eigenschaften kleiner Motoren

| Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Kay-Horst Dempewolf / Anne Richter

Miniatur-Drehstrom-Motoren mit Servoeigenschaften, wie z. B. sehr hoher Drehmomentdichte, hoher Dynamik, geringem Rastdrehmoment und Wartungsfreiheit, erweitern die Familie der bürstenlosen permanentmagneterregten Synchronmotoren mit elektronischer Kommutierung.

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Abbildung 1: Konzentrierte Wicklung automatisiert eingelegt.
Abbildung 1: Konzentrierte Wicklung automatisiert eingelegt.
(Bild: Wittenstein)

Die Motorfamilie wird seit Mitte der 80er-­Jahre des letzten Jahrhunderts gebaut. Entscheidend für die Entstehung dieser Technologie war die Markteinführung hoch­remanenter Dauermagnete mit hoher Energie­dichte sowie die Einführung von Transistorwechselrichtern mit hohen Taktfrequenzen bis in den zweistelligen Kilohertzbereich. Sich anschlies­sende Entwicklungen bei Mikrocomputern führten zur vollständigen Digitalisierung der Signal­verarbeitung in der Leistungselektronik und kennzeichnen den heutigen Stand der Technik. Typische Abmessungen von Synchron-Servomotoren reichen von 40 mm bis hin zu 220 mm Statoraussen­durchmesser bei Drehmomenten von 1 bis 1000 Nm.

Grössere Synchron-Servomotoren bis 1200 mm Stator­aussendurchmesser, durchaus bezeichnet als Direktantriebe oder Torque-Motoren, erreichen Drehmomente bis zu einigen Kilo-Newtonmetern und treiben im Allgemeinen langsam drehend die Last einer Applikation direkt an.

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Anwendungen für Miniatur-Servoantriebe mit sehr kleinen Abmessungen bis hin zu 17 mm Stator­aussendurchmesser werden heute vielfach mit der Gleichstrommotortechnik zum Teil mit Luftspaltwicklung abgedeckt. Bei der Entwicklung und Fertigung von Miniatur-Synchron-Servomotoren, siehe beispielhaft Abbildung 1, müssen neue Entwicklungs- und Fertigungsmethoden angewendet werden, und dies nicht nur aus Kostengründen. Bei sehr kleinen Elektromaschinen liegen Schwerpunkte hinsichtlich eines optimierten magnetischen Kreises zum Beispiel innerhalb folgender Arbeits­gebiete:

  • Kupferlackdraht: Die Untergrenze in der Lack­isolation liegt bei ca. 50 μm. Bei derart geringen Lackisolationen kann es bei sehr kleinen Abmessungen aufgrund von Materialschwankungen zu Einbussen bei der Isolationsfestigkeit kommen. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, Lackdrähte mit geringen Durchmessern und geringem Lackauftrag prozesssicher manuell oder automatisiert in die Nuten von Blechpaketen einzulegen. Gerade an den Kanten von Blechpaketen besteht die Gefahr, die Lackisolation der Drähte zu schädigen und somit einen Erdschluss zu verursachen. Insbesondere ist beim Formen der stirnseitigen Wickelköpfe von Miniatur-Servoantrieben darauf zu achten, die Kupferdrähte und Lackisolationen nicht zu schädigen. Ein Schluss unter den Lackdrähten oder zum Blechpaket kann eine Folge von zu kraftvollem Formen sein. Ein Beispiel für eine automatisiert eingelegte Wicklung zeigt Abbildung 2.
  • Schädigung der spezifischen Eigenschaften von Elektroblechen aufgrund von Bearbeitung: Durch das Stanzen von Elektroblechen kann das Gefüge im Bereich von einigen Zehnteln um die Stanzkanten herum geschädigt werden. Die typischen charakteristischen Eigenschaften des Elektroblechs sind in diesen Bereichen nicht mehr in der gleichen Art wie in übrigen Bereichen gegeben. Gerade bei Elektromaschinen mit geringen Abmessungen an Zähnen, Zahnköpfen und dem Joch bewirken oben genannte Gefügeschädigungen signifikante Beeinflussungen des Betriebsverhaltens der Elektro­maschine. Ähnlich verhält es sich beim Schneiden von Elektroblech mit einem Laser. Der hohe Wärme­eintrag durch den Laserschneidprozess verändert das Gefüge an den entstehenden Kanten. Durchaus können Wärmebehandlungen notwendig werden, um hohe Sättigungsinduktionen, einen geringen Magnetisierungsbedarf und geringe Eisenverluste weitestgehend wiederherzustellen.
  • Die Isolation zwischen den Elektro­blechen: Aufgrund des angestrebten geringen Bauraums von Miniatur-Servo­motoren werden herkömmliche Verfahren zur Isolation der Bleche zueinander von gros­sen Elektromaschinen wie Isolationen mit Pulver und Flächenisolationen nicht verwendet. Stattdessen erfolgt die Isolation mithilfe von dünnen galvanisch aufgetragenen Schichten. Gleichbleibende Qualität ist hierbei eine Anforderung an den Beschichtungsprozess.
  • Herstellung von Permanentmagneten: Permanentmagnete können nicht unterhalb einer Polbreite von ca. 0,8 mm kosteneffektiv und prozesssicher gefertigt werden. Daraus resultiert somit ein minimaler Rotordurchmesser von ca. 4 mm als Untergrenze für die Miniatur-­Servomotortechnologie.

Des Weiteren lassen sich verwendete Verbindungselemente, wie z. B. Schrauben, nicht ohne Weiteres verkleinern, so dass Fügeverbindungen wie Schweissen und Prägen den konstruktiven Aufbau dominieren. Das Bewickeln des Statorblechpakets muss einen hohen Kupferfüllfaktor erreichen und weitestgehend automatisiert zu geringen Herstellkosten möglich sein. Bei sehr kleinen Servo­motoren müssen darüber hinaus Lösungen für die Instrumentierung der Servomotoren mit Temperaturfühler, Bremse und Rotorlagegeber neu entwickelt werden. Wichtige Aspekte der Miniatur-­Synchron-­Servomotoren werden innerhalb der zugehörigen Präsentation erläutert und Einblicke in die heute bekannten Technologiegrenzen gegeben. SMM

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