Kit-Encoder: Dank neuer Technik auch kleinste Motoren effektiv überwachen

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Besonders kleine Motoren mussten bislang auf eine Multiturn-Überwachung verzichten – neue Kit-Encoder lösen dieses Problem – was sie können und bringen – dazu hier mehr.

Kit-Encoder: Da eine schlank-bauende Multiturn-Technologie bislang komplett fehlte, sind Kleinstmotoren, die sich zunehmender Beliebtheit etwa bei Cobots oder in der Medizintechnik erfreuen, zumeist ohne integriertes Motorfeedback oder allenfalls mit Singleturn- beziehungsweise Inkremental-Encodern im Einsatz.

Der Nachteil der Inkremental-Technik

Hierdurch sind sie bei plötzlichem Stromausfall klar im Nachteil. Während Multiturn-Geber die Bewegungen der nachlaufenden Welle auch stromlos erfassen und die gepufferten Daten beim Restart als präzises Positionssignal ausgeben, fehlt Inkremental-Gebern der Referenzwert nach dem Stromausfall.

Daher fahren Motoren mit Inkremental-Feedback beim Restart in einen Ausgangsmodus und beginnen quasi bei „Null“ – und das mit Folgen, die ins Geld gehen können. Bauteile aus dem 3D-Drucker etwa, deren Printvorgang abrupt abgebrochen wurde, können nicht mehr zu Ende gefertigt werden. Sie sind Ausschuss.

Kit-Encoder: Immer auf Position – auch bei Stromausfall

Genau hier punkten Multiturn-Kit-Encoder: Bei kurzfristigen Stromausfällen, die es beim Betrieb von Maschinen oder Anlagen häufiger gibt, sind sie wie das Netz mit doppeltem Boden. Mit den Mini-Kits – und ihrer energieautark per Wiegand-Sensor versorgten Zählelektronik – bleiben Motoren und Antriebe immer auf Position.

Mit ihrem ultrakompakten Footprint – Durchmesser: 22 Millimeter, Höhe: 23 Millimeter – sind die Minis auf die gängigen Kleinstmotoren abgestimmt. Damit lassen sie sich von den OEMs einfach in vorhandene Motor-Designs integrieren. Schnell und sicher gehen Installation und Kalibrierung über die Bühne. Während der rotierende Permanentmagnet am Ende der Welle fixiert wird, sind die übrigen Komponenten – mit dem gerade mal 20-Cent-großen Elektronikpaket (inklusive Wiegand Sensor) – mit ein paar Handgriffen an der Rückseite des Motors installiert.

Die Montage erfolgt unter normalen Bedingungen – Reinraum-Atmosphäre ist dazu nicht nötig. Der seitliche Stecker sorgt für die Verbindung zum Motor. 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.

Miniaturisierung der Kit-Encoder

Die 22er-Kits sind kleine Brüder der bestehenden 36 Millimeter-Serie, die Posital Ende 2016 als magnetische Feedbacksysteme für Servomotoren in den Markt brachte und so eine Alternative zu einfachen Resolvern und deutlich teureren Optik-Systemen etablierte. Aufbau sowie Funktionsweise der Kits sind identisch und Teil einer skalierbaren Produktfamilie. Beide Serien warten mit 17-Bit-Auflösung und einer Genauigkeit von 0,09 Grad auf.

Entscheidend für die Mini-Kits (Kit-Encoder) war die Reduktion des Einbauraums um fast zwei Drittel gegenüber der 36er-Serie. Möglich wurde die Miniaturisierung durch die Neuplatzierung von zentralen Bauteilen – wie den Hall-Sensoren für die Singleturn-Erfassung und dem 32-Bit-Mikroprozessor für die Auswertung sämtlicher Signale.

Die Multiturn-Funktion – also die Versorgung der Zählelektronik im stromlosen Zustand – ermöglicht der Wiegand-Sensor. Das kompakte Minikraftwerk, das auf eine Fingerkuppe passt und von Posital als SMD-bestückbare Energy-Harvesting-Baugruppe in großen Stückzahlen gefertigt wird, ist die dominante Komponente auf der Platine der Mini-Kits. Herzstück ist ein 15 Millimeter langer Wiegand-Draht, der in eine Kupferspule eingebettet ist und auf das Magnetfeld des rotierenden Permanentmagneten reagiert. Kommt es zu Positionswechseln, erzeugt der haarfeine, speziell konditionierte Wiegand-Draht Spannungsimpulse – und das, anders als etwa bei einem Dynamo, unmittelbar und unabhängig von der Geschwindigkeit der Drehbewegung.

Mit jeder vollen Umdrehung des externen Magnetfeldes erfolgt eine Ummagnetisierung des weich- und hartmagnetisch ausgelegten Wiegand Drahtes. Dies sorgt für einen Impuls, der sich in Energie umwandeln lässt. Die so erzeugten 190 Nanojoule genügen, um die Zählelektronik ständig zu aktivieren. So können auch im stromlosen Zustand die Bewegungen der nachlaufenden Welle präzise erfasst werden – ganz ohne aufwändige Getriebe oder Batterien, die periodisch getauscht werden müssten.

Die Multiturn-Kits für Mini-Antriebe werden seit Jahresbeginn in Aachen in Serie gefertigt. Hier ist der F&E-Standort und das Kompetenz-Zentrum für Wiegand-Technologie, deren Nutzung und Erforschung sowie Weiterentwicklung sich Posital seit mittlerweile gut 15 Jahren verschrieben hat. Die Nachfrage nach den neuen 22-Millimeter-Kits ist so stark, dass schon jetzt der Switch von einer halb- auf eine vollautomatische Fertigung ins Visier genommen wird.

Drei Fragen des Digital Engineering Magazins an…

… Jörg Paulus, Europa-Geschäftsführer, Posital-Fraba.

Herr Paulus, was gab den Anstoß für die Entwicklung der 22-Millimeter-Kits?

Paulus: Schon länger ist integriertes Motorfeedback auf dem Vormarsch. Diesem Trend haben wir uns bereits vor vier Jahren mit unseren magnetischen Montage-Kits für Servomotoren gestellt. Schon damals hatten wir eine weitere Miniaturisierung im Visier, um Multiturn endlich auch bei Kleinstantrieben zum Durchbruch zu verhelfen. Wie richtig wir damit lagen, zeigte sich bereits beim Rollout der ersten Prototypen, die aus dem Stand großes Interesse bei den OEMs auslösten. Kleinstmotoren bilden ein stark wachsendes Segment des riesigen Motormarktes – mit immer anspruchsvolleren Präzisionseinsätzen.

Was war die größte Herausforderung bei der Entwicklung der Multiturn Encoder für Kleinstantriebe?

Paulus: Die härteste Nuss war der wesentlich kleinere Permanentmagnet – und aus dessen Magnetfeld, die nötige Energie für die Multiturn-Funktion zu generieren. Mit Hochdruck haben wir im Aachener F&E-Zentrum daran gearbeitet, das Magnetfeld über eine Vielzahl von Parametern wie Abstände, Schirmung und noch präzisere Qualitätsvorgaben an den Draht zu optimieren. Nur weil wir schon lange in Sachen Wiegand – von Grundlagenforschung bis zur praktischen Umsetzung – aktiv sind, konnten wir unsere Minikraftwerke für die 22er-Kits fit machen. Als reiner Zukäufer von Komponenten hätten wir das nie geschafft.

Welche Rolle spielten die OEMs beim endgültigen Rollout Ihrer Minis?

Paulus: Wir hatten namhafte Motorhersteller bereits in der Frühphase der Produktentwicklung mit im Boot. Es ging ja um die weitere Optimierung der Überwachung und Steuerung von Kleinstantrieben. Besonders intensiv gestaltete sich die Zusammenarbeit mit starken Partnern wie Maxon, die sich aktiv beim ausführlichen Beta-Testing einklinkten – und so den Mini-Kits den letzten Schliff gaben, bevor wir mit der Serienfertigung starteten.

Der Autor Martin Wendland arbeitet als freier Journalist in Toronto (Kanada).

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