Embedded Motion

"Embedded Motion" ist ein Designansatz um bessere, effizientere und oft kostengünstigere Maschinen zu bauen. Dieser Ansatz ist eigentlich nicht neu; er wurde seit vielen Jahren im Sondermaschinenbau angewandt. Trotzdem sind die Gründe nicht jedem Konstrukteur bekannt und die Vorteile nicht immer konsequent und vollständig ausgeschöpft worden.

Was ist der Kernansatz von Embedded Motion?

Embedded Control, wobei die Intelligenz hardwaretechnisch zum Teil des Zielsystems wird, kennt jeder Techniker. Bei Embedded Motion geht es darum, nicht nur die Intelligenz sondern auch den Elektromotor und seine Steuerung zu integralen Bestandteilen der Maschine zu machen.

Damit diese Art der Integration möglich wird, muss der Motor und ggfs. sein Feedback-Sensor als Bausatz bezogen werden d.h. der Antriebslieferant muss seine Motoren ohne Gehäuse als getrennter Stator und Rotor liefern. Dasselbe gilt auch für die Sensorik; es gibt aber durchaus kompakte Einbauenkoder, die voll geschützt und eigengelagert sind; diese haben den Vorteil, dass Robustheit und Genauigkeit durch eine Montageungenauigkeit kaum beeinflusst werden. Elektromotoren sind auch als Bausatz robust; der Umgang mit diesen Motoren ist unproblematisch, auch bei modernen Permanentmagnet-erregten Motoren.

Diese modulare Anordnung bringt eine Reihe von wesentlichen Vorteilen mit sich:

  • da der Motor in der Maschine sitzt, entfallen zwei Lager, viel Mechanik und eine Kupplung (der Motor braucht kein Gehäuse und keine eigene Lagerung mehr)
  • die Anordnung ist kompakter und leichter
  • die Welle ist kürzer und besteht nicht mehr aus zwei Teilen, sie ist steifer und hat eine geringere Trägheit. Dadurch wird das System dynamischer und die Eigenresonanzen geringer. Letztendlich wird das System schneller, genauer und energiesparender
  • die Motorelektronik (Steuerung und Leistungsteil) wird zusammen mit der Steuerungselektronik realisiert, ggfs. auf der gleichen Steuerplatine.
  • idealerweise wird die Elektronik in der Systemmechanik integriert. Dadurch werden Verbindungswege kürzer (Stecker und Kabel entfallen), die elektromagnetische Verträglichkeit wird besser.
  • ein besseres Wärmemanagement ist möglich, da alle Einbauverhältnisse bekannt sind.
  • es gibt Anwendungen, die aufgrund der Forderungen bzgl. Abmessung bzw. Eigengewicht ohne den „Embedded Motion“ Ansatz nicht möglich wären.
  •  „Last but not least“ wird die Anordnung in der Serie meist kostengünstiger, da die Menge des benötigten Materials und die Gesamtanzahl der Montageschritte geringer ausfallen.


Optimierung der Maschinenauslegung

Wie geht man vor, um diese Vorteile sinnvoll zu nutzen?

Der erste naheliegende Ansatz ist es wohl, Motorkomponenten zu verwenden, die am besten mechanisch zu den Einbaubedingungen passen; hinzu sollte die Anordnung einfach gewählt werden; d.h. möglichst ohne Getriebe z.B. mit einem Direktantrieb.

Es gibt jedoch eine Schwierigkeit bei der Auswahl eines Direktantriebes für Embedded Motion Anwendungen; es werden meistens Motoren angeboten, die relativ wenig Drehmoment liefern, jedoch hohe Drehgeschwindigkeiten leisten können. Eine Lösung ist ein Torquemotor, der von vorneherein so gebaut wird, um hohe Drehmomente bei geringen Geschwindigkeiten zu bringen – in der gleichen Baulänge kann eine Getriebestufe von bis zu 10:1 ersetzt werden. Zu diesem Zweck wird der Motor mit vielen Polen und größerem Durchmesser ausgestattet; wegen der hohen Polzahl fällt dadurch der Statorrücken schmaler aus.

Es sollten auch Motorkomponenten eingesetzt werden, die jede für sich einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Bei modernen Servomotoren und –controllern liegt der Wirkungsgrad am günstigsten Arbeitspunkt aber bereits bei 95% und höher – da kann nicht mehr viel eingespart werden! Aber Wirkungsgrad ist nicht gleich Effizienz (siehe weiter unten "Box 1 – Energieeffizienz bzw. die Motorkonstante"). Es lässt sich noch viel Energie durch den intelligenten Betrieb und ein überlegtes, mechanisches Design sparen.

Die meisten Servomotoren brauchen einen Positionsgeber. Bei Permanentmagnet-erregten Servomotoren  reichen Hall-Effekt Sensoren für die Kommutierung und grobe Positionsüberwachung aus, die als integrale Bestandteile von Kitmotoren geliefert werden können.

Bewegte Masse und Massenträgheit – in Maschinen wird oft mehr Energie durch die Beschleunigung der Bewegungsachsen als durch Verrichten mechanischer Bearbeitungs- bzw. Nutzarbeit verbraucht. Da auf jedem Beschleunigungsvorgang ein Bremsvorgang folgt, kommt es wiederholt zu Energievernichtung. Die Bremsenergie wird meistens nicht verwertet, sie wird in Bremswiderständen in Wärme umgewandelt. Bei Mehrachs-Maschinen gibt es eine mögliche Abhilfe. Durch geschicktes Überlappen von Beschleunigungsvorgängen einer Achse mit Bremsvorgängen  einer anderen, lässt sich die durch Bremsregeneration gewonnene Energie gleich wieder für die Beschleunigung an einer definierten Stelle der Maschine verwenden.

Haltebremsen - In den meisten Maschinen beziehungsweise in deren einzelnen Achsen verbringen die Motoren hauptsächlich Zeit im Stillstand. In diesem Betriebszustand wird ein nicht unerheblicher „Stand-By“ Energieanteil gefordert. Solange ein Stillstandsmoment durch eine aktive Regelung gefordert wird, kommen die I²R Verluste in der Motorentwicklung zum Tragen. Bei der Auslegung sollte deshalb immer untersucht werden, inwieweit es Sinn macht, diese Achsen im Stillstand völlig abzustellen. Hierzu müssen die Achsen meistens mechanisch verriegelt werden (siehe weiter unten "Box 2 – Haltebremsen").

Die Vorteile dieser Entwurfsansätze von Embedded Motion lassen sich am besten in konkreten Anwendungen aufzeigen. Nachfolgend beschreiben wir hier zwei Beispiele. Es handelt sich um Motorenanwendungen, die ohne die komplette Integration eines zugeschnittenen Kitmotors in die Zielmechanik, nicht realisierbar wären. In beiden Fällen ging es um die Realisierung extrem kurzbauender Direktantriebe einschließlich  Drehgeber und optionaler Haltebremsen, die sonst – von ihrem Abmessungen her nicht in die jeweilige Maschine gepasst hätten. (siehe Bilder rechts).

  • Bei der ersten Applikation handelt es sich um einen schnellen Greifer für einen Schweißroboter (Direktantrieb, da das Motorenmoment im Stillstand präzise gesteuert werden muss). Hier war es wichtig, die mechanische Breite von Motor, Geber und Haltebremse, möglichst klein zu halten.
  • Im zweiten Anwendungsfall geht es um die 2/3-Achsenausrichtung und die damit verbundene Stabilisierung einer Kamera bzw. eines Sensors (Direktantrieb, da die Stabilisierung sowie die Ausrichtung der Kamera auf das Ziel eine völlig Hysteresefreie Motorenregelung um Geschwindigkeit Null erfordert).



Wer unterstützt diese Entwicklung?

Bei Embedded Motion wird der Motor Teil der Zielmechanik. Dies bedeutet, dass der Anbieter über eine große Modellpalette verfügen muss, damit die Chancen einer geglückten Integration des Motors in der Anwendung erhöht werden. Die Motormechanik bzw. –wicklung muss ggfs. angepasst werden. In vielen Fällen – speziell für Serien mittlerer und höherer Stückzahlen - lohnt es sich ein eigenes Design zu schaffen

Über all diese Möglichkeiten sollte der Anbieter verfügen. Es wird auch immer wichtiger, dass er über einen flexiblen Designservice und eine kostengünstige und schnelle Fertigung für Prototypen und Kleinserien verfügt.

Am besten sollte der Anbieter auch in der Lage sein, geeignete Antriebs- und Steuerungselektronik zu liefern und sogar zu entwickeln. Obwohl die Elektronik nicht Thema dieses Beitrages ist, viele der präsentierten Argumente und Designansätze gelten gleichermaßen auch hierfür.


Fazit

Durch konsequente Anwendung der beschriebenen Prinzipien von „Embedded Motion“ können Maschinen kostengünstiger und leistungsfähiger gebaut werden.

Vor allem Performance und Energieeffizienz werden verbessert. Letztere kann noch zusätzlich durch Optimierung der Betriebsabläufe verbessert werden. Es geht hierbei um die Minimierung der Anzahl und der Dynamik der erforderlichen Positionierungsvorgänge, sowie um die höchst mögliche Überlappung von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen zwischen den einzelnen Achsen.

Ein letzter Tipp: bei der Auslegung von dynamischen Maschinen und Anlagen stets versuchen, die Massenträgheitswerte zu minimieren.


BOX 1: Energieeffizienz bzw. die Motorkonstante

Über 40% der erzeugten, elektrischen Leistungen werden zum Betrieb von Elektromotoren verwendet. Dabei geht bereits ein signifikanter Anteil  der Energie  verloren, und das obwohl die Motoren schon effizient in Maschinen und Anlagen, wie bspw.  Pumpen, Kompressoren, Gebläsen, Aufzügen, Förderantrieben, Traktionsantrieben etc. betrieben werden. Es lassen sich aber bereits bei deren Entwurf und ihrer Auslegung eine Menge elektrische Energie und Verschleiß sowie die damit verbundenen Kosten einsparen.

Üblicherweise wird die Energieeffizienz eines Elektromotors als Wirkungsgrad verstanden d. h. das Verhältnis der mechanischen Ausgangsleistung zu der elektrischen Leistung auf der Eingangsseite. Die Wirkungsgradwerte moderner Servomotoren werden richtigerweise mit >90% angegeben. Allerdings werden diese Werte bei einer Geschwindigkeit von 3.000 UpM und mehr angegeben. Das Problem dabei, in vielen Maschinen und Anlagen laufen die Motoren selten so schnell!

Frage: Wo liegt der Wirkungsgrad eines Torquemotors? Antwort: Bei nahezu 0%!

Bei hohen Haltemomenten im Stillstand oder bei geringer Geschwindigkeit wird kaum mechanische Leistung in die Last übertragen, obwohl viel elektrische Energie verbraucht wird. Diese Verluste äußern sich hauptsächlich durch eine höhere Wärmeentwicklung. Auch bei der Beschleunigung wird letztlich unterm Strich nichts gewonnen. Die kinetische Energie, die in die Last übergeht, wird beim Bremsen anschließend wieder vernichtet.

Bei Positioniersystemen, besonders bei direkt angetriebenen (ohne mechanischer Übersetzung zwischen Motor und Last), befindet sich der Motor meistens im Stillstand. Um die Effizienz bei diesem System zu steigern, ist es daher wichtig, die Energie zu minimieren, die zur Erzeugung eines Drehmoments benötigt wird.

Der entscheidende Gütefaktor dieser Betriebsart ist die Motorkonstante (Km). Sie sagt aus, wie viel elektrische Energie (in Watt) benötigt wird, um ein mechanisches Drehmoment (in Nm) zu erzeugen. Da das Drehmoment bei einem elektrisch betriebenen Motor proportional dem Strom entspricht, ist das Verhältnis Watt zu Nm, dem ohmschen Gesetz zur Folge, quadratisch:

Km = Nm/√W = Kt/Rm

            wobei Kt=Drehmomentkonstante (Nm/A)

            und Rm=Wicklungswiderstand (Ohm)

Da Drehmomentkonstante und Wicklungswiderstand für eine bestimmte Motorengröße in einem ähnlichen Verhältnis zueinander stehen, bleibt die Motorkonstante für den gleichen Motortyp weitgehend unverändert, unabhängig davon wie die Wicklungsdaten gewählt wurden. Allgemein lässt sich sagen, dass die Motorkonstante mit der Motorengröße steigt; je mehr Kupfer in der Motorwicklung desto geringer der Wärmeverlust. Ein größerer Motor bringt Nachteile mit sich, nicht nur mit mehr Gewicht und Kosten, sondern auch mit einer höheren Trägheit muss gerechnet werden.


BOX 2: Haltebremsen

Um Energie zu sparen und die Systemeffizienz weiter zu steigern gibt es eine einfache Methode – abschalten!

Selbst die Autoindustrie hat diese Binsenweisheit verstanden, siehe z.B. „Efficient Dynamics“. Bei Positionierantrieben muss die Achse in der Abschaltposition üblicherweise gehalten werden. Das bedeutet, entweder ist die angeschlossene Mechanik selbsthemmend (z.B. Trapezspindel) oder eine Haltebremse wird benötigt. Hierzu gibt es eine Reihe von Standardlösungen, z.B. Federdruck- oder Permanentmagnetbremsen, die mit Luftdruck oder elektromagnetisch betätigt werden (mechanische Feder- bzw. magnetische Kraft schließt die Bremse, sobald der Luftdruck oder der Strom abgeschaltet wird). Allerdings sind diese Bauformen für Direktantriebe ungeeignet. Daher hat MACCON zwei weitere Bauarten entwickelt, die sich leicht skalieren lassen. Beide schließen mit mechanischem Federdruck; die Betätigung bzw. das Lüften ist elektrisch.

Bei der ersten Bremseinheit handelt es sich um eine kurzbauende Einheit, die sich leicht auf die Welle eines Servomotors montieren lässt. Da die Bremsscheiben eigentlich ringförmig sind, kann diese Bauart auch bei Hohlwellenanwendungen eingesetzt werden. Die Besonderheit ist hier die leichte Skalierbarkeit im Durchmesser und die kurze Baulänge von nur ca. 12mm, unabhängig vom Durchmesser. Bremsmomente von 3 bis 50Nm lassen sich mit dieser Anordnung bestens realisieren.

Die zweite Variante wurde von der klassischen Scheibenbremse abgeleitet. In diesem Fall sitzt die runde Bremsscheibe um den Motor und besteht aus dünnem Federstahl. Obwohl die Scheibe großflächig ist, bleibt sie leicht und rotationssteif. Da sie in Achsrichtung flexibel ist, lässt sie auch einen axialen Versatz der Lagerung leicht zu. Die Bremsbacken können einzeln oder wie abgebildet paarweise dazu montiert werden.

Diese Bremsart ist ideal für Torquemotoren geeignet, wobei das Bremsmoment automatisch mit einem größeren Durchmesser zunimmt, entsprechend der Dimensionierung des Torquemotors.

Diese Bremsen bzw. ihre Ansteuerung werden so dimensioniert, damit wenig Energie während des Betriebs benötigt wird, um sie offen zu halten, nur bei Betätigung (beim Lüften) muss mehr Strom fließen.

In den Bildern rechts kann man den Ansatz  einer weiteren Haltebremsvariante erkennen. Um den Rotor herum ist ein kurzes Trommelstück zu sehen, dass von einer Metallbandschleife umschlossen wird. Dieses Band wird von einer Feder angezogen, um eine Bremswirkung zu erzielen. Ein Elektromagnet wird verwendet, um die Anzugskraft und damit das Haltemoment aufzuheben.

Bremsen kommen auch dann zum Einsatz, wenn die Stillstandsposition gehalten werden muss, wenn der Motor stromlos wird – eine häufige Betriebs- bzw. Sicherheitsbedingung!

Bausatzmotor für Embedded Motion
Bandwickler
Kamerastellmotor