Dynamisch für Super-High-Speed

Gleichstrommotoren - Gegenüber konventionellen Motoren haben kleine permanentmagneterregte Gleichstrommotoren mit eisenloser Wicklung zahlreiche Vorteile. Beim Bestückungsautomaten zeigen sie sich.

09. November 2006

Die Miniaturisierung in der Welt der surface mount technology (SMT) fordert die Hersteller der Bestückungsautomaten und deren Zulieferer heraus. Zu den vorherrschenden Trends zählen die steigende Bestückungsleistung und -dichte sowie die Miniaturisierung sowie die Diversifizierung der Komponenten. Eine sehr hohe Dynamik sowie ausgezeichnete Regeleigenschaften und Positioniergenauigkeiten sind essentiell. Die Miniaturisierung der Komponenten und die Flexibilität der Automaten setzen auch kleinere Antriebsmotoren voraus. Diese sollen elektromagnetisch verträglich sein und wegen der hohen Packungsdichte der Motoren im Feeder einen hohen Wirkungsgrad bei geringer Wärmeentwicklung aufweisen. Auch eine hohe Lebensdauer im Start-Stopp-Betrieb spielt eine große Rolle.

Betriebsmittel und Anlagen für SMT-Bestückung

Bei der SMT-Bestückung sind diverse Bewegungs- und Antriebsaufgaben zu erledigen. Dabei gehören zu den wichtigsten Aufgaben:

¦ Transport der Leiterplatte

¦ Transport der Bauteile (Component Feeding)

¦ Aufsetzen und Positionieren der Komponenten (Placement)

Die zu bestückende Leiterplatte wird je nach Konzept des Bestückungsautomaten entweder fest positioniert oder bewegt (vgl. Bild auf Seite 24). Die elektronischen Bauteile werden der Maschine in Gurten (Tapes) mittels der Tape-Feeder zugeführt, durch einen Bestückungskopf aus den Tapes entnommen und auf der Leiterplatte positioniert. Für das Entnehmen aus den Tapes und das Aufsetzen auf der Leiterplatte gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die während der Bestückung ausgeführten Bewegungen sind rot gekennzeichnet. Allen in der Abbildung auf Seite 24 gezeigten Konzepten ist gemeinsam, dass die Bauteile durch Vakuum über so genannte Nozzles angesaugt werden. Jeder Bestückungskopf besitzt mehrere davon.

Permanentmagneterregte, bürstenkommutierte Gleichstrommotoren übernehmen häufig Antriebsaufgaben mit einer geforderten Leistung

Kleine bürstenkommutierte Gleichstrommotoren

Durch dieses Verhalten haben sie ein hohes Anlaufdrehmoment und eignen sich daher ausgezeichnet für dynamische Antriebsaufgaben. Die Regelung des Antriebs ist unkompliziert, da bei höheren oder niedrigeren Spannungen einfach die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie parallel verschoben wird.

Permanentmagneterregte Gleichstrommotoren gibt es in zwei unterschiedlichen Grundtypen: Mit einem Rotor, der ein genutetes Blechpaket und eine in den Nuten liegende Wicklung besitzt, sowie das eisenlose Design wie beim Maxon DC Motor.

Die Vorteile des eisenlosen Designs gegenüber dem genuteten sind:

¦ Kein Rastmoment: Bei einem konventionellen Gleichstrommotor werden die Zähne des Blechpaketes von den Permanentmagneten angezogen und haben das Bestreben, sich an ihnen auszurichten. Dieses führt zu einem sich dem Nutzmoment überlagernden und an der Welle spürbaren Rastmoment, eine Eigenschaft, die beim eisenlosen Design vollständig fehlt. Dadurch lässt sich der eisenlose DC-Motor sehr einfach regeln und positionieren, ohne die Probleme, die durch störende Rastmomente auftreten. Weiterhin sind eisenlose DC-Motoren laufruhiger, sie weisen also einen höheren Gleichlauf auf und verursachen weniger Geräusche und Vibrationen als konventionelle Gleichstrommotoren.

¦ Keine Eisenverluste: Durch die Drehung des Blechpakets im Magnetfeld finden

bei konventionellen Gleichstrommotoren dauernd Ummagnetisierungsprozesse im Eisen statt. Da diese beim eisenlosen Design fehlen, werden hier Wirkungsgrade von teilweise 90?% und mehr erreicht.

¦ Keine Eisensättigung und äußerst geringe Neigung zu dauerhafter Entmagnetisierung: Durch den günstigen Verlauf der magnetischen Felder im Motor kommt es beim eisenlosen DC-Motor zu keiner Sättigung der magnetfeldführenden Elemente. Die Gefahr dauerhafter Entmagnetisierung durch Überstrom ist praktisch vernachlässigbar. Daher kann der Motor kurzzeitig mit sehr hohen Strömen betrieben werden und entwickelt dabei ein durch keine Sättigung gemindertes Drehmoment. Dies erlaubt höchste Beschleunigung.

¦ Kleine Massenträgheit des Rotors: Die Massenträgheit des Rotors wird praktisch ausschließlich durch die lange, schlanke Wicklung gebildet. Es muss kein schweres Eisenpaket beschleunigt werden, was ein weiterer Grund für das hochdynamische Verhalten ist.

¦ Geringe Wicklungsinduktivität: Durch das fehlende Blechpaket besitzt ein eisenloser Motor eine kleinere Wicklungsinduktivität als ein gleich großer konventioneller Motor. Aus diesem Grund tritt bei der Stromwendung zwischen Bürste und Kommutator weniger Bürstenfeuer auf. Bürstenfeuer ist der Hauptgrund für die Abnutzung der Bürsten und damit für die Beschränkung der Lebensdauer des Motors und für die Aussendung elektromagnetischer Störungen. Das eisenlose Design hat also auch hier seine Vorteile.

Bürstenlose Gleichstrommotoren

Der Wunsch nach hochdynamischen, langlebigen kleinen Elektromotoren hat zur Entwicklung des bürstenlosen Gleichstrommotors geführt. Er wird auch EC-Motor (für electronically commutated) genannt. Bürsten und Kommutator werden durch eine elektronische Positionserfassung und Kommutierung ersetzt. Auch hier gibt es wieder Ausführungen mit einem genuteten Blechpaket einerseits und das nutenlose Design andererseits. Das bürstenlose Konzept führt dazu, dass die Lebensdauer nur noch durch die Kugellager begrenzt ist.

Bei einem nutenlosen EC-Motor besteht die Wicklung in der Regel aus drei Teilwicklungen. Sie steht still und bildet den Stator in dem EC-Motor, während der Magnet den Rotor darstellt. Da sich nunmehr das Magnetfeld gegenüber dem Stator bewegt, besitzt dieser zur Minimierung der Wirbelstromverluste ein geblechtes Eisenpaket.

EC-Motoren: Attraktiv durch Miniaturisierung und günstige Preise

Die Position des Rotor-Magnetfelds relativ zu den Wicklungen im Stator wird durch Hall-Sensoren erfasst. Diese Information wird in einer externen Kommutierungselektronik dazu benutzt, für jede Rotorlage die richtigen Teilwicklungen zu bestromen. In den letzten Jahren hat der EC-Motor durch die zunehmende Miniaturisierung und den Preisverfall der zugehörigen Elektronik eine große Attraktivität erhalten.

Wie beim Gleichstrommotor mit Bürsten beinhaltet das nutenlose Design auch beim EC-Motor Vorteile gegenüber der Variante mit Nuten. Zu nennen sind hier das Fehlen von Rastmomenten, die gute Positionierbarkeit sowie der geräusch- und vibrationsarme Betrieb.

In Feedern kommen oftmals Antriebe mit sonst eher seltener rechteckiger Querschnittsfläche zum Einsatz. Die Vorteile des rechteckigen Querschnitts sind die hohe Packungsdichte - ein Feeder direkt neben dem nächsten - und die gute Wärmeabgabe zum Metallgehäuse des Feeders. Weiterhin werden bei Feeder-Antrieben meist Motoren mit Graphitbürsten eingesetzt, die gegenüber Metallbürstenmotoren Vorteile in der Lebensdauer beim Start-Stopp-Betrieb besitzen.

Der kleinste Positionierantrieb der Welt (siehe Bild unten) beinhaltet einen EC-Motor mit 6 mm Durchmesser und 1,2 Watt Typenleistung, ein Micro-Harmonic-Drive-Getriebe sowie einen Encoder mit 100 Impulsen. Aufgrund seiner Hohlwelle mit 0,65 mm Durchmesser ist er für eine Verwendung als Nozzle-Antrieb mit Vakuum-Durchführung prädestiniert. Heutige und zukünftige Bestückungsautomaten erfordern Antriebe, die sich durch höchste Dynamik, exzellente Positionier- und Regeleigenschaften sowie eine lange Lebensdauer auszeichnen. Diese Anforderungen werden durch DC-Motoren und EC-Motoren optimal abgedeckt. Das eisenlose bzw. nutenlose Design hat entscheidende Vorteile gegenüber konventionellen Bauarten. Maßgeschneiderte Antriebe für Aufgaben in Bestückungsautomaten werden von Maxon in hohen Stückzahlen gefertigt. Für höchste Drehmomente auch ohne Getriebe bei bestmöglichen Regel- und Positioniereigenschaften hat das Schweizer Unternehmen die mehrpoligen EC-Motoren entwickelt. Damit werden neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen, die mit bisherigen Motorbauformen nicht machbar waren.

Dr. Jann-Bernd Schweer, Maxon Motor

FAKTEN

- Ein Vorteil des eisenlosen Designs gegenüber dem genuteten: Es gibt keine Eisenverluste.

- Keine Eisensättigung und äußerst geringe Neigung zu dauerhafter Entmagnetisierung.

- Kleine Massenträgheit des Rotors.

- Geringe Wicklungsinduktivität.

Erschienen in Ausgabe: 08/2006