Servomotor ist nicht gleich Servomotor, denn es gibt sie in vielen verschiedenen Formen und Größen, und jeder Typ ist für unterschiedliche Anwendungen geeignet.
Nun, vielleicht ist die Bandbreite der Formen nicht so groß, denn sie haben alle eine annähernd zylindrische oder rechteckige Form, je nachdem, ob sie rotierend oder linear sind.
Aber Servomotoren gibt es in einer Vielzahl von Größen und Typen, und was noch wichtiger ist, sie unterscheiden sich in ihrer elektromechanischen Funktionsweise.
Welcher Servomotor eignet sich also am besten für Ihren speziellen Anwendungsfall? Lesen Sie weiter für weitere Informationen.
Was ist ein Servomotor?
Normale Elektromotoren (wie z. B. Wechselstrommotoren in Tischventilatoren) arbeiten, indem sie eine Reihe von Spulen in einem Stator mit Strom versorgen, die ein Magnetfeld erzeugen, das mit einem Rotor in Wechselwirkung tritt und eine Drehbewegung in einer Welle erzeugt.
Was die Steuerung anbelangt, so handelt es sich nicht um besonders intelligente Geräte, die in der Regel einen offenen Regelkreis mit den einfachsten Bedienelementen (z. B. einem Potentiometer) für die Geschwindigkeitseinstellung haben.
Im Allgemeinen verfügt ein durchschnittlicher Elektromotor dieses Typs nicht über die Fähigkeit zur Lageregelung, die in modernen Bewegungssteuerungssystemen erforderlich ist.
Wenn Sie ein hohes Maß an Steuerbarkeit in einem Elektromotor wünschen, werden Sie in eine Art Servomotor investieren wollen.
Während die Grundsätze, wie die Bewegung in einer Servomotor bleibt weitgehend gleich wie bei einem gewöhnlichen Elektromotor. Durch den Einsatz von Rückkopplungssystemen kann das System jedoch seine Leistung in Bezug auf Geschwindigkeit, Drehmoment und Position überwachen.
Die Rückmeldung erfolgt über einen Sensor (z. B. einen Encoder oder Resolver) im Motor, der den Zustand der Hardware erfasst und ein Signal an einen Servoantrieb oder eine Steuerung zurücksendet, die prüft, ob die gemessene Leistung mit dem Sollwert übereinstimmt. Die Steuerung verarbeitet dann das Signal, korrigiert etwaige Abweichungen (Fehler) und passt den Motorbetrieb entsprechend an.
Die Korrektur erfolgt mit Hilfe von Regelalgorithmen wie der PID-Regelung (Proportional-Integral-Derivativ), die einen stabilen und präzisen Betrieb des Motors (und des vom Motor angetriebenen Systems) ermöglicht.
Dies wird als geschlossener Regelkreis bezeichnet und ist der entscheidende Unterschied zwischen einem Servomotor und einem herkömmlichen Motor mit offenem Regelkreis.
Was sind die verschiedenen Servomotortypen?
Servomotoren lassen sich anhand ihrer Bewegung grob in zwei Kategorien einteilen. Dies sind lineare Servomotoren und rotierende Servomotoren. Linear- und Rotationsservomotoren gibt es in vielen Varianten.
Diese Geschmacksrichtungen lassen sich insbesondere nach Stromart (Gleich- oder Wechselstrom), Kommutierungsart (bürstenbehaftet oder bürstenlos) oder nach Steuerungsart (Schrittmotor oder Induktionsmotor) unterteilen.
Schauen wir uns einmal genauer an, was diese Motortypen ausmacht.
Lineare Servomotoren
Wie der Name schon sagt, sorgen Linearservomotoren für eine translatorische Bewegung (vor und zurück oder von Seite zu Seite), ohne dass zusätzliche Hardware wie Gewindespindeln, Zahnräder oder Riemen erforderlich sind.
Diese Bewegung wird durch ein Bauteil erreicht, das als "Primärteil" (auch "Forcer" oder "Stator" genannt) bezeichnet wird und auf einer geraden Bahn angeordnete Spulenwicklungen enthält, die sich bei Anlegen von Strom magnetisieren.
Die magnetisierten Spulen interagieren dann mit einer Reihe von Dauermagneten, die sich im "Sekundärteil" befinden (als "Spur" oder "Platte" bezeichnet), wodurch eine Lorentz-Kraft erzeugt wird, die den Forcer entlang der Spur bewegt. Dies ist die lineare Bewegung.
Merkmale:
- Linear-Servomotoren sind hochpräzise und erreichen eine Positioniergenauigkeit im Submikrometerbereich.
- Dank ihres Direktantriebs haben sie einen hohen Wirkungsgrad bei minimalen Energieverlusten.
- Sie sind in der Lage, schnell auf Beschleunigung und Verzögerung zu reagieren, was sie ideal für dynamische Anwendungen macht.
Vorteile:
- Lineare Servomotoren sind in der Lage, eine direkte lineare Bewegung auszuführen, und benötigen keine zusätzliche Hardware. Das macht sie leicht und erfordert nur minimale Wartung.
- Sie sind leichtgängig und geräuscharm, da sich die beweglichen Teile nicht berühren. Das bedeutet auch, dass es kein Spiel gibt, wie es bei einer auf einer Leitspindel basierenden Anordnung der Fall wäre.
- Linear-Servomotoren haben ein hohes Maß an Skalierbarkeit, d.h. sie können für Bewegungen über lange und kurze Strecken ausgelegt werden.
Anwendungen:
- Bestückungssysteme, Koordinatenmessmaschinen, optische Systeme, Laborautomatisierung.
Rotierende Servomotoren
Die meisten Servomotoren, die in gewerblichen und industriellen Anwendungen eingesetzt werden, sind rotierend.
Sie sind sowohl als AC- als auch als DC-Variante erhältlich und verwenden in der Regel einen Encoder für die Rückmeldung an die Steuerung/den Antrieb. Die Bewegung wird durch die Verwendung eines Stator- und Rotorsystems erzeugt.
Rotationsservomotoren können auch als Teil von Linearsystemen eingesetzt werden, indem sie mit Hilfe von Gewindespindeln oder Kugelumlaufspindeln Drehbewegungen in lineare Bewegungen umwandeln.
Für die Zwecke dieses Artikels werden wir jedoch lineare Servomotoren als eigenständige Einheiten betrachten, die lineare Bewegungen ohne zusätzliche Hardware erzeugen.
Merkmale:
- Rotationsservomotoren zeichnen sich durch ihr hohes Drehmoment-Trägheitsverhältnis aus, das eine schnelle Beschleunigung und Verzögerung ermöglicht.
- Sie haben einen hohen Wirkungsgrad, was zur Verringerung von Wärme- und Energieverlusten beiträgt.
- Rotierende Servomotoren verfügen über eine ausgezeichnete Dynamik, die es ihnen ermöglicht, schnelle Geschwindigkeitsänderungen unter wechselnden Lastbedingungen zu bewältigen.
Vorteile:
- Rotierende Servomotoren sind äußerst vielseitig und können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Mit zusätzlicher Hardware (Gewindespindeln) können sie auch für lineare Bewegungen umgerüstet werden.
- Sie sind sehr anpassungsfähig und eignen sich sowohl für schwere als auch für leichte Anwendungen.
- Dieser Motortyp ist in der Lage, unglaublich präzise zu arbeiten und ermöglicht eine Positionssteuerung mit einer Genauigkeit von unter einem Grad und sogar von einer Bogensekunde.
Anwendungen:
- Rotationsservomotoren werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, in der industriellen Automatisierung, in der Halbleiterfertigung, in medizinischen Geräten, CNC-Maschinen, 3D-Druckern und vielen anderen Bereichen eingesetzt.
AC-Servomotoren
Servomotoren können außerdem nach der Art des verwendeten Stroms (Wechselstrom oder Gleichstrom) eingeteilt werden.
Für industrielle Anwendungen, AC-Servomotoren sind aufgrund der großen Bandbreite an Spannungen und Leistungsstufen, die sie verarbeiten können, am gebräuchlichsten.
AC-Servomotoren gibt es sowohl in linearer als auch in rotatorischer Ausführung.
Nieder- bis Mittelspannungs-AC-Servomotoren
Genauso wie es Hochspannungs-Servomotoren gibt, gibt es auch Varianten mit "niedriger" Spannung, die wir im Rahmen dieses Artikels als AC-Servomotoren mit einer Spannung von weniger als 480 V bezeichnen. Ja, mit niedriger Spannung meinen wir "relativ" niedrig. Natürlich wäre ein elektrischer Schlag von 480 Volt für den menschlichen Körper ziemlich schädlich, aber für Industriemaschinen ist er ziemlich niedrig.
Diese Servomotoren haben einen kleinen Formfaktor und sind ideal für Anwendungen, die eine kleinere Stellfläche erfordern. Trotz ihrer geringen Größe sind sie immer noch in der Lage, eine angemessene Leistung im kW-Bereich zu liefern.
Sie sind in der Regel 3-phasig, bieten für ihre Größe eine hohe Drehmomentdichte, sind robust und zuverlässig und zeichnen sich durch ein hohes Maß an Präzision und Effizienz aus.
Merkmale:
- Niedrigere Spannungen von 12 V bis 480 V sind verfügbar.
- Sie sind in kleinerer Ausführung für Anwendungen mit Platzproblemen erhältlich.
- Niederspannungs-Servomotoren können eine Leistung von über 20 kW liefern.
Vorteile:
- Sie bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Erschwinglichkeit im Vergleich zu Systemen mit höherer Spannung.
- Aufgrund der niedrigeren Spannung sind die Betriebskosten niedriger als bei Servomotoren mit höherer Spannung, da weniger elektrische Infrastruktur benötigt wird (Transformatoren usw.).
- Bei Servomotoren mit niedrigerer Spannung besteht ein geringeres Risiko von Hochspannungsgefahren (wie Lichtbögen und Geräteausfall).
Anwendungen:
- Industrieroboter, Cobots, Materialhandhabungssysteme, Verpackungsmaschinen, Druckmaschinen
Hochspannungs-AC-Servomotoren
AC-Servomotoren mit höherer Spannung arbeiten in der Regel im Bereich von 300 V bis 480 V und eignen sich gut für industrielle Anwendungen wie CNC-Bearbeitung, wo hohe Kräfte erforderlich sind.
Diese Motoren können in Verbindung mit speziellen Hochspannungs-Servoantrieben hohe Leistungen (im kW-Bereich) erbringen, ohne dass die Motoren wesentlich größer werden müssen, was sie ideal für kompakte Hochleistungsmaschinen macht.
Merkmale:
- Hochspannungs-AC-Servomotoren sind in der Regel sehr robust und langlebig, was für den Einsatz in schweren Industrieumgebungen erforderlich ist.
- Systeme mit höherer Spannung sind oft mit aktiven Kühlsystemen ausgestattet, wie z. B. Flüssigkeitskühlsystemen oder Lüftern.
- Sie können höhere Anschaffungs- und Betriebskosten verursachen, da sie eine fortschrittliche elektrische Infrastruktur und Leistungselektronik benötigen.
Vorteile:
- Der Betrieb mit höheren Spannungen bedeutet, dass geringere Ströme erforderlich sind für die gleiche Leistung zu erbringen. Dies ist besonders vorteilhaft, um Verluste zu reduzieren
- Geringere Stromanforderungen führen zu einer geringeren Wärmeentwicklung. Es können Drähte mit geringerer Stärke verwendet werden, was die Kosten senkt.
- Hochspannungs-AC-Servos sind in der Lage, ein extrem hohes Drehmoment zu erzeugen.
Anwendungen:
- Schwerlastroboter, Aktuatoren für die Luft- und Raumfahrt, industrielle CNC-Steuerungen, Textilmaschinen, Pitch-Steuerung für Windturbinen, Solar-Nachführsysteme`
Synchroner AC-Servomotor
Die meisten Wechselstrom-Servomotoren sind von diesem Typ, d. h. der Rotor dreht sich mit genau der gleichen Geschwindigkeit wie das rotierende Magnetfeld (RMF) des Stators, d. h. es gibt keine Verzögerung (bekannt als "Schlupf") zwischen dem RMF und dem Rotor. Sie sind synchron (daher der clevere Name).
- Merkmale: Synchrone AC-Servomotoren sind für ihre hohe Drehmomentdichte und konstante Geschwindigkeit bekannt.
- Aufgrund des fehlenden Schlupfes haben sie eine hervorragende Positionierungsgenauigkeit bei Verwendung herkömmlicher Kontrollmittel.
- Vorteile: Effizienz, Zuverlässigkeit bei wechselnden Lasten und präzise Drehzahlregelung.
- Anwendungen: Weit verbreitet in der Robotik, bei Verpackungsmaschinen und in der industriellen Automatisierung, die eine konstante Leistung erfordern.
Asynchrone AC-Servomotoren
Die meisten regulären AC-Servomotoren sind synchron, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben. Außerdem sind sie in der Regel entweder mit Permanentmagneten oder mit bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) ausgestattet.
Es gibt jedoch auch asynchrone AC-Servomotoren, bei denen es sich im Wesentlichen um Asynchronmotoren mit zusätzlichen Steuerungsfunktionen handelt. Da sie asynchron sind, gibt es einen Drehzahlunterschied zwischen der Synchrondrehzahl des Stators und der Rotordrehzahl. Diese Differenz wird in der Regel als Prozentsatz angegeben und als "Schlupf" bezeichnet.
Induktionsmotoren sind eine Untergruppe der Wechselstrommotoren, bei denen die Induktion durch induzierte Ströme im Rotor erzeugt wird. Dies steht im Gegensatz zu Permanentmagnetmotoren, die das Drehmoment durch die Magnete und das elektromagnetische Feld des Stators erzeugen.
Um die gleiche Präzision wie herkömmliche AC-Servomotoren zu erreichen, müssen asynchrone AC-Servomotoren eine komplexe Vektorregelung, wie z. B. eine feldorientierte Regelung (FOC), in Kombination mit Encodern oder Resolvern für die Rückmeldung ermöglichen. Diese zusätzliche Steuerung ermöglicht eine dynamische Regelung des Schlupfes des Asynchron-Drehstrommotors.
Merkmale:
- Asynchrone AC-Servomotoren können einen Kurzschlusskäfig oder einen gewickelten Rotor mit Schleifringen haben.
- Sie erfordern im Allgemeinen eine FOC-Kontrolle, um irgendeine Art von Präzision zu erreichen.
Vorteile:
- Im Gegensatz zu Permanentmagnetmotoren neigen sie nicht zur Entmagnetisierung.
- Asynchrone AC-Servomotoren können im Vergleich zu Permanentmagnetmotoren billiger in der Herstellung sein.
Anwendungen:
- Fördersysteme, Pumpen, Materialtransport, Aufzüge.
DC-Servomotoren
DC-Servomotoren funktionieren im Allgemeinen nach dem gleichen Prinzip wie AC-Servomotoren, werden jedoch mit Gleichstrom statt mit Wechselstrom betrieben. Sie sind in der Regel leichter und kleiner als ihre robusteren AC-Geschwister und im Allgemeinen auch kostengünstiger.
Trotz der geringen Kosten sind sie in Bezug auf Effizienz und Präzision sehr leistungsfähig und haben ein geringes Trägheitsmoment, was schnelle Richtungswechsel und Geschwindigkeitsänderungen ermöglicht. Sie sind von Natur aus bidirektional und ermöglichen eine Drehung der Welle sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn bei gleicher Effizienz.
Merkmale:
- DC-Servomotoren haben einen hohen Wirkungsgrad und geringe Wärmeverluste.
- Sie können mit Batterien betrieben werden, z. B. mit Li-Poly- oder Blei-Säure-Batterien.
- Sie sind in der Lage, sich effizient in beide Richtungen zu drehen.
Vorteile:
- DC-Servomotoren können in einem breiten Drehzahlbereich effizient arbeiten und eignen sich daher gut für Anwendungen mit variabler Drehzahl.
- Sie sind im Vergleich zu AC-Servomotoren weniger komplex, was sich in den niedrigeren Kosten widerspiegelt.
- DC-Servomotoren sind ideal für den Betrieb mit geringem Stromverbrauch.
Anwendungen:
- Kamerasysteme, kardanische Aufhängungen, Elektrofahrzeuge, Prothesen, optische Medienabspielgeräte (DVD/Blu-ray, etc.)
Bürsten-Servomotoren
DC-Servomotoren gibt es in bürstenbehafteten und bürstenlosen Varianten, die sich in der Art der Kommutierung unterscheiden. Unter Kommutierung versteht man das Umschalten der Stromrichtung in den Motorwicklungen, um eine kontinuierliche Drehung und Drehmomenterzeugung zu gewährleisten.
Bürstenbehaftete Gleichstrom-Servomotoren verwenden eine mechanische Kommutierung, bei der die Bürsten physisch einen Kommutator (einen segmentierten Ring, der am Rotor befestigt ist) berühren. Wenn sich der Rotor dreht, schalten die Kommutatorsegmente nacheinander den Stromfluss in den Ankerwicklungen um und stellen so sicher, dass die Wechselwirkung des Magnetfelds weiterhin ein Drehmoment in der richtigen Richtung erzeugt.
In einem Servosystem ermöglichen Rückkopplungsmechanismen wie Encoder oder Potentiometer eine präzise Steuerung von Drehzahl, Drehmoment und Position, wodurch sich Gleichstrom-Servomotoren von normalen Gleichstrommotoren unterscheiden.
Merkmale:
- Bürsten-Gleichstrom-Servomotoren haben einen einfachen Aufbau und sind relativ kostengünstiger als Wechselstrom-Servomotoren.
- Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren liefern ein hohes Anlaufdrehmoment, da der Ankerstrom ohne Gegen-EMK maximiert wird und die Trägheit effektiv überwunden wird.
- Bürsten gelten als Verschleißteile und müssen regelmäßig ausgetauscht werden.
Vorteile:
- Bürsten-Gleichstrommotoren sind eine kostengünstige Lösung für Anwendungen mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment.
- Drehzahl und Drehmoment lassen sich leicht durch Anpassung der angelegten Spannung oder des Stroms steuern.
Anwendungen:
- Robotik, Förderbänder, kleine Industrieanlagen, die Präzision erfordern.
Bürstenlose Servomotoren
Bürstenlose Gleichstrom-Servomotoren kommen ohne mechanische Bürsten und Kommutatoren aus, da der Strom in den Statorwicklungen durch elektronische Kommutierung gesteuert wird. Ein Rückkopplungsmechanismus (in der Regel ein Hall-Effekt-Sensor oder Encoder) überwacht die Rotorposition, um das Magnetfeld des Stators mit der Bewegung des Rotors zu synchronisieren.
Das Drehmoment wird durch die Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld des Stators und den Permanentmagneten des Rotors erzeugt und ermöglicht eine präzise und effiziente Steuerung von Geschwindigkeit und Position.
Nebenbei bemerkt sind die meisten AC-Servomotoren per Definition auch bürstenlos".
Merkmale:
- Hoher Wirkungsgrad, geringer Wartungsaufwand, geringer Lärmpegel und kompakte Größe.
Vorteile:
- Lange Lebensdauer, höherer Drehzahlbereich und bessere Zuverlässigkeit.
Anwendungen:
- Ideal für CNC-Maschinen, Drohnen und medizinische Geräte, die eine leistungsstarke Bewegungssteuerung erfordern.
Schrittmotor ServomotorNormale Schrittmotoren sind bürstenlose, synchrone Gleichstrommotoren, die sich in diskreten Schritten bewegen und eine präzise Positionssteuerung ermöglichen, ohne dass ein Rückkopplungssystem erforderlich ist. Da sie jedoch in einem offenen Regelkreis arbeiten, können sie keine Fehler erkennen, wenn sie überschwingen oder Schritte verpassen.
Schritt-Servomotoren hingegen integrieren eine schrittweise Bewegung mit einem Feedback-Mechanismus (in der Regel ein Encoder) und ermöglichen so eine Regelung mit höherer Genauigkeit, verbesserter Drehmomenteffizienz und Korrektur von Fehlschritten.
Stepper-Servomotoren sind also im Grunde Schrittmotoren, aber besser!
Merkmale:
- Schritt-Servomotoren haben per Definition einen geschlossenen Regelkreis.
- Sie sind im Grunde genommen bürstenlose Gleichstrommotoren, obwohl sie einige Wechselstromeigenschaften aufweisen (z. B. sind sie synchron).
- Einige Modelle arbeiten mit einer sanfteren Sinussteuerung für einen leiseren, gleichmäßigeren Lauf (ähnlich wie bei Wechselstrommotoren).
Vorteile:
- Stepper-Servomotoren können das Drehmoment bei höheren Drehzahlen aufrechterhalten und Resonanzen reduzieren, was im Vergleich zu einem normalen Stepper eine bessere Drehzahl- und Drehmomentleistung ermöglicht.
- Im Gegensatz zu herkömmlichen Schrittmotoren können sie das Drehmoment auch bei höheren Geschwindigkeiten aufrechterhalten.
- Die Rückmeldung ermöglicht Korrekturen in Echtzeit und verbessert die Genauigkeit.
Anwendungen:
- Industrielle Automatisierung, CNC-Maschinen, 3D-Drucker, Robotik, Luft- und Raumfahrt, Satellitensysteme.
Fazit
In diesem Artikel haben wir uns angesehen, wie Servomotoren in grobe Kategorien eingeteilt werden können, z. B. nach Eingangsstrom (Wechselstrom oder Gleichstrom), Bewegungsart (rotierend oder linear), Spannung (Hoch- oder Niederspannung) und Art der Kommutierung (im Falle von Gleichstrom-Servomotoren).
Natürlich gibt es weitere Unterkategorien von spezialisierten Servomotoren, die wir noch weiter unterteilen können, aber das ist ein Thema für einen anderen Artikel.
Das Verständnis der Unterschiede zwischen den verschiedenen Typen, selbst auf dieser hohen Ebene, kann eine optimale Auswahl für bestimmte Anwendungsfälle gewährleisten.
Natürlich ist es nur ein Teil der Gleichung zu wissen, welcher Typ von Servomotor für Ihre Bedürfnisse am besten geeignet ist. Ebenso wichtig ist es, zu wissen, woher man zuverlässige Antriebshardware bezieht. Die Wahl einer vertrauenswürdigen Marke kann dazu beitragen, Ausfallzeiten und langfristige Kosten zu reduzieren, insbesondere bei kritischen Vorgängen. Aber keine Sorge, auch hier haben wir für Sie vorgesorgt.
Top-Marken wie ABB, Ametek, Allied Motion und andere liefern durchweg qualitativ hochwertige rotierende Servomotoren, die eine zuverlässige Leistung in verschiedenen Branchen gewährleisten.
Und wenn Sie sich für lineare Bewegungen interessieren, dann können Sie sich bei Unternehmen wie Geeplus, H2W Technologies, Tolomatic oder HyperCyl informieren.
Alle diese Unternehmen stellen Hardware her, die sich als kompatibel mit AMC-Servoantrieben erwiesen hat. Eine umfassendere Liste von Drittanbietern, die kompatible Servomotoren herstellen, finden Sie auf folgender Seite auf diesen Link.
