Antriebstechnik Servomotor – Aufbau, Funktion, Anwendung

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Wann immer hochdynamische, präzise und schnelle Bewegungsabläufe gefragt sind, gehören Servomotoren zur ersten Wahl. Doch wie sind Servomotoren aufgebaut? Welche Motortypen sind besonders weit verbreitet? Und welche Eigenschaften macht diese Antriebssysteme für eine Vielzahl an Applikationen so interessant?

Der Begriff „Servomotor“ wird häufig sehr unterschiedlich definiert. Generell lässt sich aber sagen, dass ein Servomotor ein Elektromotor ist, der strom-, drehzahl- und/oder positionsgeregelt wird. Ein Servomotor ermöglicht somit die Einstellung vorgegebener Ströme, Drehzahlen und/oder Drehwinkel.

Der Begriff „Servo“ ist aus dem lateinischen „Servus“ abgeleitet, was so viel bedeutet wie „Helfer, Sklave, Diener“. Diese Bezeichnung war vor mehr als 65 Jahren durchaus zutreffend, als Servoantriebe lediglich als Hilfsantriebe für untergeordnete Aufgaben, etwa als Stellantriebe im Werkzeugmaschinenbau, genutzt wurden. Entwicklungen im Bereich der Halbleitertechnik und der Mikro-Controller in Kombination mit leistungsstarken Rechnersystemen und Speicherbausteinen ermöglichten jedoch zunehmend den Einsatz digitaler Regelungstechnik für Servomotoren und trieben somit den Erfolg dieser Lösungen maßgeblich voran.

Heute kann auf Servomotoren in verschiedensten industriellen Anlagen, Maschinen und auch Industrierobotern nicht mehr verzichtet werden: eingesetzt werden die Antriebe u.a. in ein- und mehrachsigen Werkzeugmaschinen, Handlingsystemen, in der Blechverarbeitung, in der Fördertechnik, in der Verpackungstechnik und der Papierverarbeitung, um einen kleinen Eindruck von deren Vielseitigkeit zu vermitteln.

Wesentliche Bestandteile eines Servomotors

Allgemein formuliert, dient ein Servomotor zur Umsetzung von elektrischer Energie in eine mechanische Bewegung. Die wesentlichen Bestandteile etwa eines bürstenlosen Servomotors sind: ein Motorgehäuse mit Anschlussraum, eine Motorwelle mit Magneten (Rotor), eine Wicklung (Stator), eine Motorbremse und ein Rotorlagegeber bzw. Rückführ- oder Feedbacksystem. Ein Feedbacksystem kann je nach Einsatzfeld des Servomotors z. B. aus einem Hallsensor, einem Encoder, einem Resolver (elektromechanischer Messumformer, der die Winkellage eines Rotors in eine elektrische Größe wandelt), einem Tachometer oder Potenziometer bestehen.

Vom Servomotor zum Servoantrieb

Die Ansteuerung eines Servomotors erfolgt in einem geschlossenen Regelkreis, wobei ein Servomotor mit einer zugehörigen Steuerelektronik (Servoregler, Servoumrichter) den Servoantrieb bilden. Servoregler sind leistungselektronische Stellglieder, die eine in der Frequenz steuerbare Dreiphasenwechselspannung erzeugen, die zur Drehzahl- oder Drehmomentregelung von Servomotoren erforderlich ist. Servoregler bilden die Schnittstelle zwischen einer übergeordneten Steuerung und dem Servomotor, um das „schwache“ Referenzsignal einer Steuerung in ein leistungsstarkes Signal für den Motor umzuwandeln. Für bürstenlose Servomotoren werden heutzutage nahezu ausnahmslos digitale Servoregler eingesetzt. Neben zentralen Servoreglern, z. B. auf einer Hutschiene im Schaltschrank, gibt es für kleinere Servoantriebe dezentrale Regler, die im Motorgehäuse integriert sind, oder aber für größere Servoantriebe auch Regler, die am Motorgehäuse montiert sind.

Der Begriff „Servoantrieb“ wird in der Praxis oftmals nur für Servomotoren mit integriertem Feedbacksystem und Servoverstärker verwendet, während Lösungen mit externen Umrichtern als Servomotoren bezeichnet werden.

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Weitverbreitete Motortypen

Als weit verbreitete Motortypen für Servoantriebe gelten insbesondere

• permanenterregte Synchronmotoren (AC- und DC-Motoren)

• Asynchronmotoren (vorwiegend AC-Servomotoren)

• bürstenbehaftete Gleichstrommotoren (DC-Motoren)

• BLDC- (Brushless Direct Current)

• EC- (Electrically Commutated) Servomotoren

Das wesentliche Unterscheidungskriterium zwischen den Motoren besteht nicht in dem Antriebsprinzip, sondern in deren Regelungsmöglichkeiten.

Synchron- und Asynchronmotoren

Wie alle Elektromotoren basieren Synchron- und Asynchronmotoren auf den im Motor erzeugten Magnetfeldern. Die Unterschiede zwischen den Motortypen resultieren aus der Arbeitsweise der Rotoren. Bei Synchronmotoren bewegt sich der Rotor mit einem konstanten Magnetfeld synchron zum zeitlich veränderlichen Magnetfeld des Stators. Bei Asynchronmotoren folgt der Rotor indes dem magnetischen Statordrehfeld mit einer Zeitverzögerung und somit asynchron.

BLDC- und EC-Motoren sind aus technischer Sicht permanenterregte Synchronmotoren und werden zumeist mit Kleinspannungen betrieben.

AC- und DC-Servomotoren

AC-Servomotoren sind in der Regel Motoren, die über eine Versorgungsspannung betrieben werden, die durch eine gleichgerichtete Wechselspannung (zumeist Gleichspannungen ab 230 VDC bis hin zu 600 VDC) erzeugt wird. DC-Servomotoren hingegen werden unmittelbar an einer Kleinspannung (bis 48 VDC) betrieben.

Einfache Anpassung an unterschiedliche Aufgaben

Servoantriebe können in Bruchteilen von Sekunden auf Nenndrehzahl beschleunigen und abbremsen und ermöglichen somit hochdynamische Bewegungen mit hohen Drehmomenten bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte. Darüber hinaus sind sie sehr energieeffizient und überzeugen somit durch eine hohe Wirtschaftlichkeit, die bei der Konzeption von leistungsstarken Antriebssystemen zu erheblichen Kosteneinsparungen führen kann.

Die hohe Präzision von Servoantrieben wird durch die softwaregestützte Programmierung über den Servoregler ermöglicht. Hierdurch lassen sich vorgegebene Drehmomente, Positionen und Geschwindigkeiten exakt regeln und somit überaus genau an spezifische Antriebsaufgaben anpassen, wodurch selbst sehr komplexe Prozesse realisierbar sind.

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Effektive Kühlung bei hoher Beanspruchung

Servomotoren werden in der Regel im Einsatz hoch beansprucht. Daher spielt eine effektive Kühlung in vielen Applikationen mitunter eine entscheidende Rolle. Die Kühlung kann entweder mit Luft, Öl oder Wasser erfolgen.

• Eine Luftkühlung hat den Nachteil, dass hierfür relativ viel Bauraum benötigt wird. Darüber hinaus muss eine solche Lösung regelmäßig gewartet werden, da ansonsten die Kühlleistung sinkt und es zu Maschinenausfällen kommen kann.

• Eine Wasserkühlung ist deutlich kompakter und benötigt überdies weniger Wartungsaufwand. Außerdem lassen sich mehrere Servoantriebe aneinanderreihen, ohne dass sich die einzelnen Motoren durch ihre Abwärme gegenseitig aufheizen.

• Eine Ölkühlung verschafft die gleichen Vorteile, ist aber von der Kühlleistung etwas ineffizienter als Wasser. Eine Wasserkühlung von Servomotoren ist somit insbesondere für anspruchsvolle Einsatzbereiche eine ideale Lösung, da die Motoren im Vergleich zu ungekühlten Varianten mit einer höheren Leistung betrieben werden können.

Eigenschaften und Vorteile von Servomotoren

Servomotoren verfügen über einige herausragende Eigenschaften verbunden mit einer Reihe an Vorteilen für verschiedenste Industriebereiche:

• kompaktes Design und niedriges Gewicht für eine platzsparende Montage

• hohe Dynamik

• hohe Positioniergenauigkeit

• hoher Wirkungsgrad zumeist über 95% bei Volllast

• hohe Überlastfähigkeit (abhängig vom Motordesign und magnetischem Material)

• hohe Drehzahlgenauigkeit

• großer Stellbereich für die Drehzahl

• kurze Anlaufzeit

• kurze Anregelzeit des voreingestellten Drehmomentes

• hohes Stillstandsmoment

• kleines Massenträgheitsmoment

• hohe Schutzklassen (typischerweise IP65)

• niedrige Investitionskosten (insbesondere bei AC-Asynchronmotoren)

• geringe Zusatzkosten (z. B. für Encoder, Lüfter etc.)

• vielseitige Einsatzmöglichkeiten für Synchronservomotoren durch Neu- und Weiterentwicklungen bei Antrieben und Motion-Control-Systemen

Anbieter von Servomotoren (Auszug)

• ABB

• Aerotech

• Baumüller

• Beckhoff

• Bosch Rexroth

• Dunkermotoren

• Hiwin

• Kollmorgen

• Mattke

• Moog

• Oswos

• Parker

• Reichelt

• RS Components

• Tox Pressotechnik

• Wittenstein

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