Mehr Leistung für kleine Motoren mit 16 Millimeter Durchmesser

Leistungsschub dank neuartiger Wicklung

Für ein komfortables Arbeiten zählt jedes Gramm im Handstück des Werkzeugs, das sie währenddessen halten müssen. Gleichzeitig sind aber auch möglichst kleine, robuste und starke Motoren gefragt, die ausserdem auch noch leise und ohne störende Vibrationen arbeiten. Bild: RClassenLayouts / iStockphoto.com
Bürstenlose DC-Servomotoren der Baureihe 1660 als leistungsstarke Antriebslösung für Handstücke in den unterschiedlichsten Branchen. Bild: Faulhaber
Andreas Seegen / Ellen-Christine Reiff /

Automatische Handwerkzeuge erleichtern in vielen Sparten die Arbeit. Ob Uhrmacher, Chirurgen, Zahnärzte, Kosmetiker oder Tätowierer, alle sind sie darauf angewiesen, freihändig über mehrere Stunden arbeiten zu können. Für ein komfortables Arbeiten müssen die Motoren möglichst klein, robust und stark sein, ausserdem leise und möglichst vibrationsfrei. Genau auf diesem Feld setzen Kleinstmotoren mit spezieller Wicklungstechnik jetzt neue Massstäbe.

Es ist noch gar nicht so lange her, dass Handstücke für filigrane einhändige Arbeiten von externen Motoren angetrieben wurden; sonst wären sie einfach zu schwer gewesen, um sie mit einer Hand zu halten und gleichzeitig präzise Bewegungen mit dem Werkzeug auszuführen. Also platzierte man den Motor in einem separaten Gehäuse und übertrug die Antriebsenergie über flexible Wellen in das rotierende Werkzeug. Man musste dabei allerdings in Kauf nehmen, dass die Welle nicht leicht war, durch ihre geringe Flexibilität die Bewegung drastisch einschränkte und auch die Energieeffizienz minderte. Ähnliches gilt auch für die pneumatische Variante, bei der das Werkzeug mit Druckluft angetrieben wird. Die Pneumatik ist zudem vergleichsweise laut und lässt sich weniger präzise regeln. Für medizinische Anwendungen kamen pneumatische Lösungen deshalb gar nicht in Frage.

Die Anforderungen steigen

Vor allem die rasante Entwicklung der Elektromotoren hat es möglich gemacht, dass wellengetriebene Handstücke heute meist nur noch im Technikmuseum zu sehen sind. Ihre aktuellen Nachfolger werden von kleinen Motoren angetrieben, die bequem in die Handstücke passen. Kombiniert mit Hochleistungsakkus kommen sie dann sogar ohne elektrische Zuleitung aus. In Einsatzbereichen wie der Medizin, der Robotik, bei Laborgeräten oder in der Uhrenindustrie haben sich dafür Motoren mit 16 Millimeter Durchmesser als Standard etabliert. Mit diesen Antrieben wird seit Jahren gearbeitet, und sie haben sich in den Handstücken unterschiedlicher Maschinen bewährt.

Doch sobald ein Standard erreicht ist, erwachsen neue Anforderungen. Die Fortschritte der Medizin, etwa in der Zahnbehandlung oder bei Operationen am Bewegungsapparat, machen immer umfassendere Behandlungsansätze möglich. Neue Erkenntnisse, Verfahren und Systeme gewährleisten inzwischen, dass heute auch komplizierte Behandlungsverfahren erfolgreich und mit minimaler Belastung für den Patienten durchgeführt werden können. Leistungsstarke und leichte Handwerkzeuge, in denen moderne Antriebstechnologie zum Einsatz kommt, werden diese Entwicklung weiter vorantreiben. Faulhaber beispielsweise hat jetzt einen neuen zweipoligen, bürstenlosen 16-Millimetermotor entwickelt, der beweist, dass Motoren dieser Grössenordnung noch deutlich mehr leisten können, als die bisher verfügbaren Modelle.

Elektromagnetische Prinzipien neu gedacht

«Wir sind ganz grundsätzlich an die Frage herangegangen und haben uns mit den physikalischen Prinzipien der elektromagnetischen Krafterzeugung nochmal beschäftigt», erklärt Produktmanager Silvio Taraborrelli. «Deren Grundlage ist die sogenannte Lorenzkraft, die aus dem Zusammenspiel von Magnetfeld und Ladungsfluss entsteht. Diese Kraft wirkt am stärksten, wenn der Draht der Spule senkrecht zum Magnetfeld steht. Bei der herkömmlichen schrägen Wicklung der Spulen geht also ein Teil der Lorenzkraft verloren, weshalb wir eine neue Wicklungstechnologie entwickelt haben. Mit dieser sogenannten Segmentwicklung können wir nun einen grossen Teil des Drahtes optimal ausrichten. Das Ergebnis ist, dass wir bei gleichem Durchmesser, gleicher Kupfermenge und gleichem Stromverbrauch wesentlich mehr Leistung bekommen.»

Für unterschiedliche Anforderungen gibt es den neuen Motor in zwei Versionen. Das Modell 1660…BHT – das Kürzel HT steht für «High Torque» – wurde im Hinblick auf ein maximales Dauerdrehmoment von 18,7 mNm optimiert. Diese Version kann in Anwendungen, die Impulszyklen erfordern, ein Kurzzeitdrehmoment von über 30 mNm liefern. Der 1660…BHS (HS = High Speed) erreicht Drehzahlen von bis zu 100 000 Umdrehungen pro Minute und ist für Anwendungen bestimmt, in denen der Motor fast ununterbrochen läuft, also für den Einsatz in Handwerkzeugen, die über längere Zeiträume betrieben werden.

Lastwechsel und Dauerbetrieb

Darüber hinaus haben beide Motorvarianten die gleichen Eigenschaften. In den Handstücken überzeugen sie beispielsweise durch besonders leisen und praktisch vibrationsfreien Lauf, was die Handhabung der Maschine über längere Zeit zusätzlich erleichtert. Da ein besonders grosser Anteil der eingesetzten Energie in Bewegung umgesetzt wird, ist auch die Wärmeabfuhr kein Problem; das Handstück bleibt bei den typischen Anwendungsanforderungen relativ kühl. Dies gilt insbesondere für den intensiven Betrieb mit kurzzeitigen Überlastbedingungen. Die robusten Kleinmotoren bewältigen sowohl kontinuierliche als auch intermittierende Einsatzszenarien problemlos und können hochdynamische Bewegungsmuster abarbeiten. Die extrem flache Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie bis herab zu 95 min-1/mNm ermöglicht nicht nur eine sehr hohe Motorleistung und eine einfache Steuerung, sondern trägt auch zur Vermeidung grosser Drehzahleinbrüche unter variablen Lastbedingungen bei.

Zu den Stärken der neuen Motorserie gehört auch die präzise abgestimmte Elektronik. Die Antriebe sind serienmässig mit digitalen Hallsensoren ausgerüstet und können daher auch ohne Encoder betrieben werden. Wo dies nicht ausreicht, kann der Motor mit hochauflösenden magnetischen Inkremental-Drehgebern kombiniert werden. Vorgespannte, auf lange Lebensdauer ausgelegte Kugellager stellen sicher, dass die Motoren den im Betrieb auftretenden radialen und axialen Kräften problemlos standhalten. Für die Motoren sind zahlreiche passende Präzisionsgetriebe lieferbar, sie können aber auch ohne Getriebe als Direktantrieb arbeiten. Produktmanager Silvio Taraborrelli ist überzeugt: «Dieser Motor entlastet die Hand, in der die Maschine gehalten wird. Damit gibt sie ihr mehr Freiheit für besonders präzises Arbeiten.»