Klein- und Kleinstantriebe waren bisher weitestgehend ohne integriertes Motorfeedback oder allenfalls mit inkrementalen oder reinen Singleturn-Encodern ausgerüstet. Multiturn-Geber liefern hingegen deutlich mehr Genauigkeit, Datentiefe und Prozesssicherheit, allerdings gab es diese bisher nicht ausreichend kleinen Baugrößen. Der Drehgeber-Hersteller Posital aus Köln hat daher ein 22-mm-Encoder-Kit auf den Markt gebracht und hat von Beginn an den führenden Anbieter von hochpräzisen Antriebssystemen maxon überzeugt.
„Mit unseren Multiturn-Kits für Mini-Antriebe haben wir vor zwei Jahren ein völlig neues Konzept geschaffen, das es bis dato in diesem Segment nicht gab – und mit dem wir Motorherstellern aus dem Stand ganz neue Optionen an die Hand geben wollten“, erklärt Jörg Paulus, General Manager für das Europa-Geschäft bei Posital. Im Forschungszentrum der Fraba-Gruppe in Aachen, zu der Posital gehört, wollte man aber nicht nur einen weiteren Multiturn-Encoder entwickeln, sondern einen der es in sich hat: So standen die Themen Baugröße, Energieautarkie und Sicherheit an oberster Stelle – aber der Reihe nach.
"Die Entwicklung der Mini-Kit-Encoder war eine Anforderung aus dem Markt, da die Motoren, die angesprochen werden, auch immer kleiner werden." Jörg Paulus
Mit ihrem ultrakompakten Footprint (Durchmesser: 22 mm, Höhe: 23 mm) sind die winzigen Montagekits, die gerade mal 35 g wiegen, passgenau auf die gängigsten Kleinstmotoren abgestimmt. Problemlos lassen sie sich in vorhandene Motor-Designs integrieren. Schnell und sicher gehen Installation und Kalibrierung über die Bühne. Während der rotierende Magnet am Ende der Welle fixiert wird, sind die übrigen Komponenten, mit dem 20 Cent-großen Elektronikpaket als Herzstück, mit ein paar Handgriffen an der Rückseite des Motors installiert. Die 22er-Kits sind der kleine Bruder der erfolgreichen 36-mm-Serie, die Posital bereits 2016 als robuste magnetische Feedbacksysteme für Servomotoren startete – und damit eine clevere Alternative zu einfachen Resolvern und deutlich teureren Optik-Systemen schuf.
22er-Kits im Überblick:
- Keine Batterie, kein Getriebe, keine Wartung
- Elektrische Auflösung bis zu 17 Bit, Multiturn bis 32 Bit
- Robuste Leistung, hohe Genauigkeit und einfache Installation mit optimaler Selbstkalibrierung
- Integrierter Temperatursensor zur Diagnose
- passen auf gängige Kleinstmotoren
- Schnittstellen: SSI und Biss C
Wie erfolgreich die Miniaturisierung vorangetrieben wurde, zeigt ein Blick auf die magnetischen Montage-Kits, die als komplett neue Alternative zu aufwendigen optischen Feedback-Kits und klassischen Resolvern gelauncht wurden. Während das Elektronikpaket der klassischen Servo- und Stepper-Kits auf einer 36-mm-Platine verbaut ist, kommen die neuen 22-mm-Kit-Encoder mit rund 40% weniger Platz aus. Ermöglicht wurde dies nicht nur durch den Einsatz von noch kompakteren Bauteilen wie den vier Hall-Sensoren und dem 32-Bit-Mikroprozessor. Wesentlicher Treiber bei der Miniaturisierung sind weitere Fortschritte bei der Auslegung und Fertigung der Wiegand-Sensoren.
Die Montage erfolgt unter normalen Fabrikbedingungen – Reinraum ist kein Thema. Mit SSI und Biss C stehen zwei herstellerneutrale Schnittstellen bereit. Ein Plus ist auch die integrierte Kalibrierfunktion: Nach kurzem Andrehen der Welle stellt sich das Kit automatisch auf den Motor ein und hinterlegt die Parameter im Speicher.
maxon - Leitkunde für strategisches Projekt
Das Einsatzspektrum von Kleinstmotoren wird immer breiter und anspruchsvoller. So werden diese heute z.B. in schnellen Pick+Place-Anlagen oder Cobots, aber auch zunehmend in der Medizin bzw. der Luftfahrt eingesetzt, wo die Frage nach Sicherheit die höchste Priorität hat. "Bei kurzfristigen Stromausfällen, die es häufiger gibt als man denkt, sind unsere neuen Encoder wie das Netz mit doppeltem Boden“, sagt Klaus Matzker, Senior Product Manager bei Posital. „Kein Wunder also, dass unsere Multiturns schnell auf großes Interesse bei vielen OEMs von Kleinstantrieben gestoßen sind.“ – Und maxon war von Anfang an mit dabei.
maxon entwickelt und baut kleine Elektroantriebe mit Power. Die DC-Motoren werden überall dort eingesetzt, wo die Anforderungen hoch sind und Ingenieurinnen und Ingenieure keine Kompromisse eingehen wollen. maxon Motoren treiben z.B. die NASA-Rover auf dem Mars an. Sie sind in Insulinpumpen eingebaut und in chirurgischen Handgeräten. Man findet sie in humanoiden Robotern oder in hochpräzisen Industrieanlagen. In Tattoomaschinen, Passagierflugzeugen, Kameraobjektiven, Rennautos oder Herzpumpen. Seit mehr als 60 Jahren dreht sich im schweizerischen Sachseln alles um kundenspezifische Lösungen, Qualität und Innovation. So ist das im Baukastensystem aufgebaute Produktprogramm stetig gewachsen. "Unsere Mikromotoren setzen alles in Bewegung, was sich präzise und zuverlässig dreht", erklärt Hermann Messner, Vertriebsleiter bei maxon in München. "Daher achten wir auch bei unseren Zulieferern und Partnern auf sehr hohe Qualität und Know-how. Dafür ist Posital bekannt."
"Wir achten bei unseren Zulieferern und Partnern auf höchste Qualität und Know-how – genau das liefert Posital." Hermann Messner
Bereits in der Entwicklungsphase der 22-mm-Kits startetet die intensive Zusammenarbeit zwischen Posital und maxon, hatte man sich doch schon früh über die Entwicklungsvorhaben ausgetauscht. "Für uns waren die besagten 22 Millimeter schon länger ein Meilenstein, weil wir tendenziell eher kleinere Motoren bauen. Zur gleichen Zeit gab es bei uns ein spezifisches Projekt, das einen absoluten Multiturn-Encoder in dieser Baugröße verlangte", erzählt Hermann Messner über die damalige Situation. So stieß das Posital-Team in Sachseln schnell auf Interesse und maxon wurde zum Leitkunden für das strategische Projekt. "Für uns war das einerseits ein sogenanntes Plattformprojekt, bei dem wir, wie Posital, eine langfristige strategische Entwicklung ins Auge fassen, um ein bestimmtes Marktsegment zu erarbeiten. Andererseits hatten wir auch diverse Kundenanfragen, die einen maxon Motor mit den Eigenschaften der neuen Encoder gerne aufgegriffen hätten. So waren wir sicher, dass wir den Nerv des Marktes treffen werden", berichtet Daniel Vogler, Product Manager bei maxon.
Im Video erzählt Klaus Matzker mehr über das Projekt mit maxon:
Der maxon ENX 22 EMT:
maxon führt den Posital 22-mm-Encoder unter der Bezeichnung ENX 22 EMT. ENX steht für einen konfigurierbaren Encoder, 22 für den Durchmesser und EMT für Energy Harvesting Multiturn-Encoder.
Sehen Sie hier ein Video zum Encoder:
Motoren mit dem ENX 22 EMT lassen sich über den maxon-Konfigurator einfach zusammenstellen:
Energy Harvesting bringt den Mehrwert
Bei maxon spielte bei der Entscheidung auf die Posital-Entwicklung zu setzen nicht nur die Tatsache eine Rolle, dass es jetzt einen 22-mm-Absolut-Multiturn-Encoder auf dem Markt gab. Es war keine Option mit einer Pufferbatterie oder mit einer zusätzlichen Getriebelösung eine Multiturn-Lösung für die Motoren zu erarbeiten. Die Realisierung der Stromversorgung über einen Wiegand-Draht gab es in der kleinen Bauform bisher noch nicht. "Mit einem energieautarken Encoder waren wir uns sicher, dass wir unseren Kunden einen echten Mehrwert bieten", ist Volker Schwarz, R&D Manager Engineering Encoder bei maxon, begeistert und fährt fort: "Unser Kunde kauft einen Motor, der für die gesamte Lebensdauer wartungsfrei ausgelegt ist. Und dann soll er beim Encoder ständig die Batterie wechseln? Das passte für uns nicht zusammen. Daher kam uns das Konzept des Energy Harvesting, alles kompakt in einer Einheit verbaut, absolut entgegen." Mit den energieautarken Encodern schafft Posital also einen elementaren USP – nicht nur für maxon, sondern auch für den OEM der Endkunden.
maxon bietet heute ihren Kunden eine passende Kombination an: hochwertige Motoren, hochwertige Getriebe und hochwertige Encoder.
Der Wiegand-Effekt als Grundlage
Herzstück des „Energy Harvesting“-Sensors von Posital bildet der speziell konditionierte Wiegand-Draht. Der kurze Draht, der sich entlang einer Richtung magnetisiert, ist eingebettet in eine Kupferspule und reagiert auf das Magnetfeld eines rotierenden Permanentmagnets. Kommt es hier zu Positions- bzw. Richtungswechseln, erzeugt er energiereiche Spannungsimpulse – und das unmittelbar und unabhängig von der Geschwindigkeit einer Drehbewegung.
Während der Wiegand-Effekt eine seit langem bekannte Größe ist, erfolgte der Durchbruch in Sachen ‚Energy Harvesting’ erst später. Vor mehr als zehn Jahren startete Posital eine neue Serie magnetischer Multiturn-Drehgeber – als Alternative bzw. Gegenentwurf zu deutlich aufwändigeren und teureren optischen Abtastsystemen. Erstmals wurden dabei Wiegand-Sensoren als energieautarke Impulsgeber für die elektronischen Rotationszähler genutzt. „Mittlerweile sind weltweit mehr als 250.000 magnetische Multiturn-Drehgeber von uns im Einsatz – und das ohne Probleme“, so Jörg Paulus. „Kein Wunder, dass wir an das Wiegand-System glauben und hier gezielt investiert haben.“
Mehr zur Wiegand-Technologie sehen Sie im Video:
Weitere Grenzen überwinden?
maxon und Posital haben innerhalb ihrer strategischen Partnerschaft neue technologische Meilensteine gesetzt. Das weckt natürlich weitere Begehrlichkeiten und stellt die Frage nach Weiterentwicklungen oder dem Überwinden weiterer Grenzen. "Wir haben Stand heute mit dem 22-mm-Kit von Posital ein sehr gutes Produkt, mit dem wir am Markt ein absolutes Alleinstellungsmerkmal haben", zeigt sich Volker Schwarz stolz. Mit 22 mm sind die Schweizer auch schon sehr gut unterwegs – vor allem im Bereich ihrer Hochleistungsmotoren für die Laborautomation. Hier gibt es oft Anwendungen, bei denen teilweise 10, 12 oder 14 Achsen synchron arbeiten. Dabei ist der Einbau eines Multiturngebers elementar. Denn im Fehlerfall müsste sonst ein hochkomplexes System am Ende wieder Referenzfahrten für jede Achse durchführen – ein sehr zeit- und kostenintensiver Ansatz.
"Wir haben mit den energieautarken Encoder-Kits ein absolutes USP und viele Mehrwerte für unsere Kunden geschaffen." Daniel Vogler
"Auch wenn wir aktuell alles haben, was wir benötigen, so wünscht sich ein Unternehmen trotzdem immer frühzeitige Weiterentwicklungen oder mehr Diversifikation", weiß Volker Schwarz. Bei Anwendungen, z.B. in der besagten Laborautomation, wären sicherlich irgendwann einmal Geber mit 19 oder 16 mm interessant, denn das sind einerseits die beiden meistgebauten Motorengrößen bei maxon. Andererseits geht der Trend allgemein zu immer kompakteren Geräten auch in diesem Marktsegment.
Die Ansprüche an die Technologie waren und sind hoch. Diese hat Posital mit einem kleineren Durchmesser und der Integration des Wiegand-Drahtes erfüllt und erfolgreich umgesetzt. "22 Millimeter waren ein wirklicher Meilenstein und auch ein großes Investment und Commitment in einem Markt, der für uns zukünftig eine große Rolle spielt – auch über die Anwendung bei maxon hinaus", erklärt Klaus Matzker. Ein Ende der Entwicklungen scheint also noch nicht in Sicht. So stehen für ihn vor allem die Optimierung der Kosten an erster Stelle. "Hier wollen wir vor allem die Produktionskosten deutlich senken, um trotz hoher Qualität, wettbewerbsfähig zu bleiben. Aber die Möglichkeiten zu anderen und kleineren Bauformen werden von uns natürlich bereits geprüft und erforscht", blickt Klaus Matzker in die Zukunft. Da eine Weiterentwicklung des Wiegand-Drahtes nicht gerade einfach ist, sei mit einer 16-mm-Variante aber nicht unbedingt schon im kommenden Jahr zu rechnen. "Denn je kleiner der Draht wird, umso weniger Energie erhalten wir aus ihm, um die Chips aufzuwecken. Aber Entwicklungen gehen ja auch hier weiter. Da gibt also einiges an Zukunftsmusik", ist sich Klaus Matzker sicher.
Über Posital:
Posital ist ein Hersteller von leistungsstarken industriellen Positionssensoren, die in einer Vielzahl von Motion Control- und Sicherheits-Systemen weltweit zum Einsatz kommen. Das Unternehmen versteht sich als Innovator von Produktentwicklung und Fertigungsprozessen. Posital bietet seinen Kunden maßgeschneiderte Sensoren zum Preis von industrieller Serienfertigung an. Das Unternehmen ist ein Teil der international tätigen Fraba-Gruppe.
Über maxon:
maxon entwickelt und baut präzise bürstenbehaftete und bürstenlose DC-Motoren. Die Produktpalette umfasst zudem Getriebe, Encoder, Steuerungen sowie komplette mechatronische Systeme inkl. Batterien. Die Antriebe werden überall eingesetzt, wo besonders hohe Anforderungen gestellt werden. Um in diesem anspruchsvollen Markt vorne zu bleiben, investiert das Unternehmen einen großen Teil des Umsatzes in Forschung und Entwicklung.