Kundenspezifische Antriebsentwicklung Zuhören & verstehen beim Entwickeln von Miniaturmotoren

Von Gerd Kucera

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Weil die Konstruktion und Herstellung von Motoren, etwa für die Medizintechnik, fundiertes Wissen und ein genaues Verständnis der Anforderungen verlangt, will Antriebhersteller Portescap mit ihrer „Voice of the Customer“-Forschung sicher stellen, dass die Standard-Produktplattform genau auf die Bedürfnisse abgestimmt ist – und dies, bevor die kundenspezifischen Anpassungen beginnen.

Von medizinischen Überwachungsgeräten bis hin zu Robotern – Miniaturmotoren sind unverzichtbar für die Bewegung in Hochleistungsanwendungen auf engem Raum.
Von medizinischen Überwachungsgeräten bis hin zu Robotern – Miniaturmotoren sind unverzichtbar für die Bewegung in Hochleistungsanwendungen auf engem Raum.
(Bild: AdobeStock_122967605 )

Auf dem wachsenden Gebiet der chirurgischen Roboter ist es aufgrund der hohen Variabilität unmöglich, eine einzige Lösung für alle Kundenanwendungen zu entwickeln. Selbst innerhalb eines Anwendersystems kann es deutliche Unterschiede bei den Motortypen geben. Einzigartige Spezifikationen erfordern hochgradig anpassbare Lösungen (sowohl in elektrischer als auch in mechanischer Hinsicht), um die Anforderungen beispielsweise des Robotersystems zu erfüllen. Durch das Anpassen des Produktes an die Anwendung wird sichergestellt, dass die Leistungsziele innerhalb einer definierten Baugröße erreicht werden.

Durch das Verstehen der einschränkenden Lastpunkte kann eine Lösung entwickelt werden, die das optimale Drehmoment- und Drehzahlgleichgewicht in einer möglichst kompakten und leichten Konstruktion erzielt. Daher sind fundiertes Wissen der Motorentechnik und ein genaues Verständnis der Anforderungen der Antriebslösung fundamental. Um die Bewegungsanforderungen eines breiten Spektrums von Endmärkten erfüllen zu können, hat der in der Schweiz gegründete Miniaturmotor-Hersteller Portescap das „Voice of the Customer“-Projekt etabliert. Sunil Kumar ist Product Manager bei Portescap und beschreibt dazu:

„Eine der häufigsten Anforderungen eines OEM-Konstrukteurs ist die Flexibilität bei der Anpassung. Jede Anwendung stellt andere Anforderungen an die Lösungen für Miniaturmotoren und Bewegungssteuerung, die nur selten vollständig von einer Standardspezifikation erfüllt werden können. Aus diesem Grund umfasst der Design-Ansatz von Portescap seit jeher ein breites Spektrum an Anpassungsmöglichkeiten. Obwohl der Erfolg vieler kundenspezifischer Designs dazu führt, dass sie schließlich zu Standardprodukten in unserem Miniaturmotorensortiment werden, muss jede kundenspezifische Entwicklung von einer grundlegenden Technologieplattform ausgehen.

Um diese optimalen Grundlagen für die Entwicklung von Miniaturmotoren zu schaffen, ist der Input unserer Kunden unerlässlich. Es ist wichtig, eine klare Vorstellung von der Wettbewerbslandschaft unserer Kunden zu haben. Das Eingehen auf die Kundenbedürfnisse bleibt immer die wichtigste Überlegung. Der Rahmen, den wir bei Portescap verwenden, um diese Erkenntnisse am genauesten zu verstehen, basiert auf einem Prozess, der sich Voice of the Customer nennt.

Anwenderwünsche verstehen und realisieren

Der Voice of the Customer-Prozess vereint jahrelange Design-Erfahrung mit praktischer Anwendungserfahrung, um die Kundenwünsche und -bedürfnisse bis ins kleinste Detail zu verstehen. Dazu gehört je nach Branche und Anwendung auch die Zusammenarbeit mit OEM-Konstrukteuren und ihren Endbenutzerkunden. Das Endergebnis ist die Entwicklung von detaillierten Produkt- und Lösungsspezifikationen, in die die technischen Kenntnisse unserer Kunden maßgeblich einfließen. Letztendlich werden diese Kundenwünsche zu wichtigen Aspekten zukünftiger Produktdesigns, die dann von unseren Ingenieuren entwickelt werden, um komplexe Probleme für kritische Anwendungen zu lösen.

Nach eingehender Untersuchung müssen wir den Entwicklungspfad für die vom Kunden inspirierte Initiative verstehen. Es ist wichtig zu wissen, ob die Kundenwünsche zusammenpassen und in einem einzigen Produkt oder einer einzigen Lösung vereint werden können. Es ist auch von entscheidender Bedeutung, festzustellen, ob ein Produktkonzept skalierbar und für die Herstellung geeignet ist, um den vom Markt geforderten Preis zu erreichen. Dieses Verständnis erreichen wir durch die Anwendung von Lean-Management-Prinzipien.

Für alle neuen Projekte verwenden wir den bewährten Stage-Gate-Produktentwicklungsprozess. Beim Stage-Gate-Prozess wird die Produktidee mithilfe einer Liste klar definierter Aktionen vom Konzept über das Geschäftsszenario bis zur Produktion gelenkt. Engagierte Teams übernehmen dann bei jedem Schritt die Verantwortung für das Produkt. Ein wichtiger Aspekt ist, dass sie während der gesamten Entwicklungsphase Bewertungen und Feedback von den Benutzern erhalten. Das Endergebnis ist eine Technologieplattform, die nicht nur kosteneffizient für die OEM-Integration ist, sondern auch den ursprünglichen Designwünschen der Kunden entspricht.

Beispiel-Umsetzung auf das Produkt-Design

Indem wir unseren Kunden zuhören, um auf ihre spezifischen und sich entwickelnden Bedürfnisse einzugehen, hat unser Voice of the Customer-Prozess viele neue Motorplattformen hervorgebracht, die alle vollständig anpassbar bleiben. Ein besonderes Beispiel ist die Entwicklung von bürstenlosen Gleichstrommotoren (Brushless DC, BLDC) für Roboteranwendungen. Sie sind nicht nur robust, langlebig und können mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten, sondern sind auch klein genug, um in kompakte Bereiche wie Robotergelenke zu passen.

Da der Platzbedarf von entscheidender Bedeutung ist, haben wir aufgrund des Feedbacks unserer Kunden eine eigene Spule in U-Form entwickelt, die im Vergleich zu den typischen BLDC-Motoren viel kleiner ist. In die Spule sind größere Kupferarmaturen integriert, die eine höhere Leistung als bei einer normalen geraden Spule ermöglichen. Außerdem hat sie nur minimale Eisenverluste, was eine verbesserte Effizienz und einen kühleren Betrieb bedeutet.

Mit diesem neuen Design kann ein zweipoliger Motor beispielsweise 30% mehr Drehmoment liefern als ein Motor ähnlicher Größe mit einem herkömmlichem Spulenaufbau. Schlitzlose BLDC-Motoren mit U-Spulen können dank dieses neuen Designs an hohe Drehzahlen, ein hohes Drehmoment oder an ausgewogene Werte für beides angepasst werden.

Eine weitere häufige Anforderung an Robotik-Anwendungen, die durch den Voice of the Customer-Prozess in Erfahrung gebracht wurde, ist die hohe Dynamik. Für Greifroboter wird eine Kombination aus der schnellen, inkrementellen Präzision eines Schrittmotors und der für einen BLDC-Motor typischen Geschwindigkeit und Beschleunigung benötigt. Ein neuer Weg, die Vorteile beider Motortypen zu erreichen und zu kombinieren, ist die Einführung eines Seltene-Erde-Magneten, der in Form einer dünnen Scheibe konstruiert ist. Das Ergebnis dieser neuen Konstruktion ist eine höhere Schrittauflösung im Vergleich zu Permanentmagnet-Schrittmotoren. Dies wird mit einem deutlich höheren Beschleunigungsvermögen aufgrund der geringen Trägheit sowie einer höheren Höchstgeschwindigkeit als bei herkömmlichen Schrittmotoren kombiniert, da das neue Design einen kürzeren Magnetkreis aufweist, der geringere Eisenverluste verursacht.

Lösung komplexer Anwendungsaufgaben

Die Technologie der trägheitsarmen Scheibenmagnete wurde im Rahmen der Voice of the Customer-Untersuchung in der Robotik entwickelt. Sie ist aber auch ein gutes Beispiel dafür, wie Fortschritte zum Nutzen von breiteren Anwendungen übertragen werden können. Die Scheibenmagnete mit niedrigem Trägheitsmoment können zudem für Aktuatoren verwendet werden, um innerhalb eines Gehäuses mit flachem Profil für rasche lineare Be- und Entschleunigung zu sorgen und somit Prozesszeit einzusparen. Auf diese Weise können Konstrukteure ihre Designs vereinfachen und zugleich komplexe Anwendungsherausforderungen lösen.

Roboter können sowohl Linear- als auch Drehbewegungen ausführen. Die Herausforderung besteht darin, dass beide Modi in der Regel zusätzliche Steuerungskomponenten erfordern, die den Platzbedarf vergrößern. Aus unserer Forschung wissen wir jedoch, dass die reduzierte Größe ein wichtiges Attribut ist, das die Kunden benötigen. Daher ermöglicht unsere innovative Entwicklung des Dual-Motion-Can-Stack-Aktors eine gleichzeitige lineare und rotierende Bewegung, die zwei permanente Schrittmotoren in einem leichten, kompakten Gehäuse vereint. Die Konstruktion des Aktors ermöglicht eine rein lineare Bewegung in jede Richtung ohne eine Wellenrotation. Außerdem führt der Aktuator eine reine Drehbewegung im oder gegen den Uhrzeigersinn aus, ohne Wellenübersetzung entlang der Achse. Mit dieser Konstruktion ist es auch möglich, eine Linearbewegung und simultane Drehung in eine beliebige Richtung zu kombinieren.“

„Diese Beispiele zeigen“, beendet Sunil Kumar seine Ausführungen, „wie unsere Konstrukteure in die Lage versetzt werden, die tatsächlichen Bedürfnisse unserer Anwender zu verstehen und sie in unsere Produktentwicklungszyklen zu integrieren.“

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