Rahmenlose Hochleistung für Roboter

Um den Anforderungen an hohe Drehmomentdichte und Effizienz in der Robotik gerecht zu werden, hat Maxon mit der DT-Plattform ein Portfolio leistungsstarker, frameless Elektromotoren entwickelt. 

Die Welt steht am Anfang einer Roboterrevolution: Autonome mobile Roboter, die durch mobile Manipulation physisch mit der Umgebung interagieren können, werden bereits in den nächsten Jahren spürbar in unseren Alltag eindringen. Diese Systeme verwenden regelmäßig mehrere Dutzend Aktuatoren mit hohem Drehmoment, und jeder muss davon so viel wie möglich liefern.  

Leichtbauweisen sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Leistung und Sicherheit solcher Roboter. Darüber hinaus werden diese über Batterien hochdynamisch bewegt, was die Notwendigkeit einer effizienten Leistungsumwandlung unterstreicht. Um den Anforderungen an hohe Drehmomentdichte und Effizienz gerecht zu werden, hat Maxon ein Portfolio leistungsstarker, bürstenloser Elektromotoren entwickelt: die DT-Plattform.  

Einzigartige Systemfunktionen 

Es gibt mehrere Aspekte, die diese Plattform für Robotiker gut geeignet machen. Erstens erreicht sie eine hohe Drehmomentdichte durch ein gut optimiertes magnetisches Design. Zweitens resultieren ihre geringen Verluste aus einer proprietären, fortschrittlichen Wicklungstechnologie, die hohe Kupferfüllfaktoren im Stator ermöglicht. Da selbst die beste Wicklung nicht verlustfrei ist, ist ein drittes wichtiges Merkmal das Wärmemanagement. Eine Hochtemperatur-Vergussmasse ermöglicht den Betrieb des Stators bis zu einer Wicklungstemperatur von 155 °C und gewährleistet gleichzeitig eine gleichmäßige Wärmeableitung zur Kühlschnittstelle.  

Darüber hinaus ermöglicht ein direkt an der Statorwicklung montierter Temperatursensor dem Antriebssystem, den Motor sicher bis zu seinen thermischen Grenzen zu betreiben. Dies ermöglicht den höchstmöglichen Spitzenbetrieb und stellt gleichzeitig sicher, dass der Motor innerhalb seiner Sepzifikation betrieben wird. Außerdem wird das System mit vorvergossenen Hochtemperaturdrähten geliefert, was eine hohe Qualität und Lebensdauer gewährleistet. 

Frameless Motoren werden häufig in hochdynamischen, batteriebetriebenen mobilen Roboteranwendungen eingesetzt. Die hohe Dynamik solcher Roboter führt zu sehr unregelmäßigen Motorbetriebspunkten mit sehr häufigen Beschleunigungen und Verzögerungen, kombiniert mit hohen Spitzendrehmomentbelastungen. Daher ist eine niedrige mechanische Zeitkonstante des Rotors in Kombination mit einem hohen Wirkungsgrad unerlässlich, wenn der Motor häufig Leistung zwischen den elektrischen und mechanischen Systemen übertragen muss. Alle Komponenten dieser Motoren sind optimiert, um hochdynamische Bewegungen und schnelle Beschleunigungen zu liefern, kombiniert mit hoher Effizienz in der Leistungsumwandlung. 

Aufgrund des gut optimierten magnetischen Designs bieten die frameless DT-Motoren ein geringes Rastmoment und ausreichend große Luftspalte. Dies führt zu geringer Geräuschentwicklung und Vibration, gut steuerbarem Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit und ermöglicht niedrige Montagekosten. 

Schließlich sind Produktionsqualität und Wiederholbarkeit entscheidend, wenn es um die Skalierung von Robotersystemen in großen Stückzahlen geht. Kunden verlangen häufig strengste Qualitätskontrollmaßnahmen und Produktionsstabilität. Daher wurde die hauseigene, automatisierte Produktion bei Maxon mit diesem Gedanken im Hinterkopf konzipiert. So sind jeder Stator und Rotor durch lasergravierte Produktionsdaten vollständig rückverfolgbar. 

Systemintegration 

Frameless Motoren sind im Vergleich zu selbsttragenden Motoren kompliziertere Systeme. Dies bringt einige Vorteile mit sich, aber auch Integrationsherausforderungen. Ein Schlüsselparameter für jeden Kunden solcher Systeme sind die Gesamtkosten. Wenn ein Motorsystem komplexe und damit teure Kundenteile und Montageprozesse mit geringem Ertrag erfordert, können die Gesamtkosten, auch unter Berücksichtigung von Qualitätskontrollmaßnahmen, immer noch unerwünscht hoch sein. Integrationsprobleme solcher Systeme können zu komplexen Fehlern führen, die nicht immer einfach zu beurteilen sind.  

Beispielsweise kann eine nicht optimale Montagekonzentrizität zwischen Stator und Rotor zu übermäßigem Rastmoment und Verlusten führen. Lange Motor-Encoder-Toleranzketten zu Encoder-Ausfällen. Und kundenspezifische Stator-Verguss- oder Klebeprozesse bedingen eine nicht optimale Wärmeleistung, die selbst nach Jahren im Einsatz noch auftritt. Darum hat Maxon die frameless Motoren für niedrige Gesamtbetriebskosten und hohe Montageerträge  konzipiert. 

Standardmäßig werden die frameless DT-Motoren mit einem Stator samt Edelstahl-Montageflansch geliefert, der eine hochpräzise und robuste mechanische Schnittstelle für den Stator schafft. Dadurch wird sichergestellt, dass der Motor problemlos in Kundenteile integriert werden kann, was für die mit dem rahmenlosen System verbundenen Montagetoleranzketten relevant ist. 

Dank des Flansches sind die Toleranzketten im Hinblick auf den aktiven Magnetkreis des Motors kurz, was hohe Produktionsqualität und Ausbeute ermöglicht. Darüber hinaus stellt der Flansch sicher, dass der Stator unter allen Montage- und Betriebsbedingungen seine geometrische Form behält, was wichtig ist, um Rastmomente, Vibrationen oder Verluste zu minimieren. 

Zudem bietet der Flansch eine Montageschnittstelle für den Motorgeber. Die frameless DT-Motoren lassen sich gut auf die TSX MAG-Encoder-Reihe von Maxon abstimmen. Durch die Bereitstellung geeigneter magnetischer Zielringe und Encoder-Montageschnittstellen sind die Toleranzketten des Encodersystems gut kontrolliert und erfordern keine engen Toleranzen der Kundenteile, wodurch wiederum ein Hochleistungssystem in einen hoch skalierbaren Montagevorgang integriert wird. 

Der Stahlflansch lindert auch zwei häufige Komplikationen, die mit der Wärmeübertragung zusammenhängen: Die Schnittstelle zwischen Flansch und Stator wurde umfassend auf ihre Beständigkeit gegen Temperaturwechsel geprüft. Aufgrund unterschiedlicher Materialausdehnungskoeffizienten und anderer altersbedingter Materialeigenschaften kann die Delamination des Statorvergusses zu Leistungsverlusten führen. 

Leistungs- oder Motorausfall 

Indem diese Schnittstelle direkt während eines hochwertigen Herstellungsprozesses kontrolliert wird, ist sicherzustellen, dass sich diese kritische thermische Schnittstelle im Laufe der Zeit nicht verschlechtert, wenn sie intensiven thermischen Zyklen ausgesetzt ist. Andererseits ermöglicht die glatte Oberfläche des Statorflansches eine einfache, aber thermisch hochleitende Integration in das Kundenteil, entweder durch Einpressen, Wärmeleitpasten oder Verkleben. Dies vereinfacht Kundenteile und ermöglicht eine hochdurchsatzfähige und dennoch zuverlässige Herstellung und Systemintegration.  

Schließlich bietet der Flansch eine robuste und bewährte Drehmomentübertragungsschnittstelle für den Stator und seinen Verguss, die einer hohen Zyklenermüdung unter hochdynamischen und zyklischen Belastungen standhalten muss, die oft das maximale Drehmoment des Motors deutlich überschreiten. 

Weil verständlich, dass die Drehmomentdichte ein Schlüsselparameter für moderne Roboter ist, liefert Maxon die frameless DT-Motoren auch mit einem Aluminiumflansch anstelle der Stahlversion, wobei alle Qualitätsmaßnahmen beibehalten werden können, die die Stabilität der Verguss-Flansch-Schnittstelle über die gesamte Lebensdauer des Systems gewwährleisten. Da der Stator seine eigene Montagehardware mitbringt, muss diese Masse nicht zusätzlich auf Kundenseite bereitgestellt werden, und es entsteht kein Massenverlust mehr, wenn dieser Aluminiumflansch verwendet wird.  

Für geringstmöglichen Wärmewiderstand und höchste Produktionsskalierbarkeit lassen sich die Statoren direkt in Kundenteile vergießen. Dies erfolgt beispielsweise mit hocheffizienten Gelenken, bei denen der frameless DT-Motor als Schlüsselfaktor für solche hochintegrierten und effizienten Roboterantriebseinheiten dient.  

Ein letzter Integrationsaspekt betrifft den Luftspalt des Motors, bei dem Maxon einen Kompromiss zwischen Luftspaltlänge und magnetischer Leistung erzielen konnte. Dank der komfortablen Größen der Luftspalte zwischen Rotor und Stator lassen sich die Montage- und Rundlauftoleranzen des Lagersystems kostengünstig gestalten, wobei alle Vorteile von geringem Rastmoment und geringer Vibration erhalten bleiben. Dank moderater Montagekräfte ist eine robuste Produktionsausbeute zu realisieren. 

Kernanwendungen 

Das frameless DT-Motorsystem eignet sich in erster Linie für leistungsstarke Leichtbaurobotersysteme. Solche Motoren werden in mobilen autonomen Systemen wie Vierbeinern, Humanoiden oder Exoskeletten eingesetzt, die batteriebetrieben in Umgebungen mit hohe Dynamik arbeiten und zumeist in Leichtbauweise ausgeführt sind. Die Motoren und Antriebe eignen sich nicht nur für Fortbewegungsaufgaben, sondern auch für hochpräzise mobile Manipulationssysteme wie im chirurgischen Bereich oder bei Industrierobotern.  

Aufgrund der hohen Anpassungsmöglichkeiten dieser Motoren und der Spezialisierung auf anpassbare Designs werden diese Systeme auch in der Raumfahrt eingesetzt, was ihren Schwerpunkt auf leichte und dennoch robuste Designprinzipien unterstreicht, die für jedes rahmenlose Motorsystem universell wichtig sind. 

Autoren: Mario Mauerer, Global Business Development Manager Robotics und Samuel Klein, Product Manager EC frameless DT, beide maxon motor ag 

Bilder: maxon motor ag