In der komplexer werdenden Arbeitswelt der Industrie 4.0 kommt es bei den einzelnen Komponenten auf smarte und vielseitige Fähigkeiten an. Einfache Motoren sind für verschiedene Anwendungen in der Smart Factory möglicherweise unzureichend. Hier können Servomotoren helfen, die mehr können als lediglich einen Antrieb zu leisten. Im Stil einer Werbebotschaft könnte man von einem „Motor, der alles kann“ sprechen. Das macht neugierig und weckt das Bedürfnis, mehr über diesen besonderen Motor zu erfahren.

Was ist ein Servomotor?

Der Begriff „Servomotor“ leitet sich aus dem lateinischen Wort für Diener oder Sklave (Servus) ab. Ursprünglich wurde er als Hilfsmotor konstruiert, um einzelne Komponenten von geschlossenen Antriebssystemen zu steuern. So nutzte der französische Industrielle und Ingenieur Joseph Farcot, der 1859 den Servomotor erfand, diesen dafür, um die Steuerung eines Dampfschiffes durch die zusätzliche Lenkung der Ruder zu unterstützen. Die Digitalisierung mit den Fortschritten im Bereich der Halbleitertechnik und Mikrocontroller hat den Bedarf für Servomotoren enorm erweitert.

Servomotoren kommen in der Maschinensteuerung und Unterstützung von Fertigungsketten zum Einsatz. Sie finden sich unter anderem in der Robotik, Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizin. Die smarten Steuerungssysteme an der Schnittstelle zwischen Antrieb und Steuerung gibt es in allen möglichen Größen, Formen und Motortypen, sodass Kunden durch eine breite Auswahl an Servomotoren viele Wahlmöglichkeiten haben, um sich für das passende System zu entscheiden.

Das leistet ein Servomotor

Verglichen mit einfachen Motoren ist ein Servomotor genauer und vielfältiger. Ein heutiger Servomotor besitzt nicht lediglich einen Antrieb, sondern verfügt darüber hinaus über ein Rückführungssystem und eine Steuerelektronik. In digitalen Arbeitsbereichen können Servomotoren mit Kommunikationsschnittstellen für den Datenaustausch sowie der Steuerung externer Systeme ausgestattet sein und zu innovativen Leistungen im Bereich der Künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens fähig sein.

Mithilfe von Sensoren und Aktoren können Servomotoren auf verschiedene Feedbackschleifen reagieren und ihre Motorleistung entsprechend anpassen. Damit verfügen sie über Rückkopplungssysteme, die einfache Motoren nicht besitzen. Die Strom-, Drehzahl- und Positionsregelung der Präzisionsmotoren erlaubt die Einstellung vorgegebener Ströme sowie ihre flexible Anpassung auf den aktuellen Bedarf. Sie ermöglichen eine präzise Positionierung und Bewegungssteuerung untergeordneter Komponenten in einem geschlossenen System.

Anwendung von Servomotoren

Durch ihre präzise Steuerung, Zuverlässigkeit und kompakte Bauweise sind Servomotoren ein Schlüsselinstrument für die Tragfähigkeit moderner Entwicklungen im Zuge der wirtschaftlichen Transformation hin zur Industrie 4.0. Mit ihrer Hilfe lassen sich komplexe, vielseitige und smarte Systeme mit mehreren Regelkreisen erzeugen, die flexibel auf aktuelle Anforderungen reagieren können. Das ist die Bedingung für die Herstellung automatisierter Abläufe in Betrieben, bei denen die Roboter sich wechselseitig steuern und sich aufgrund der Fähigkeit zum maschinellen Lernen anhand der Erfahrungen weiterentwickeln können. In dieser Liste finden Sie Beispiele für die Anwendung von Servomotoren

Robotik: Positionierung und Steuerung von Roboterarmen und -greifern
Flugzeuge und Satelliten: Steuerung von Klappen, Flügeln und anderen beweglichen Teilen
Haushalt: Steuerung von Motoren und Ventilen
CNC-Maschinen: Positionierung von Werkzeugen, Steuerung von Achsen
Fahrzeuge: Steuerung von Scheibenwischern, Türverriegelungen, Sitzeinstellungen, Türverriegelungen und Fensterhebern
Kameras: Bewegung und Steuerung von Kamerafokussiersystemen, Bildstabilisierungssystemen und Objektiven
Medizin: Bewegung von Instrumenten von Röntgengeräten, CT-Scannern und chirurgischen Robotern; Steuerung von Prothesen
Solaranlagen: Ausrichtung von Solarmodulen zugunsten des idealen Einfallswinkels
Montage: Bewegung und Positionierung von Werkstücken, Werkzeugen und Robotern
Druck: Bewegung von Druckköpfen, Walzen, Greifern und anderen Komponenten
Antennen: Ausrichtung von Antennen und Parabolspiegeln
Schifffahrt: Steuerung und Automatisierung von Rudern und Segeln
Textilwesen: Steuerung von Webstühlen, Spulen und anderer beweglicher Teile
Unterhaltung: Bewegung von Gliedmaßen, Rädern und Flugzeugen von ferngesteuerten Autos, Drohnen, Booten, Robotern und Modellflugzeugen

Die Vorteile von Servomotoren

Servomotoren erlauben die Winkelfunktion einer Motorwelle, sodass sich das mit einem Servoantrieb ausgestattete Objekt in die gewünschte Richtung bewegen lässt. Diese Eigenschaft lässt sich anschaulich an einem ferngesteuerten Auto nachvollziehen. Neben der präzisen Positionierung verfügen Servomotoren über die Fähigkeit der Geschwindigkeitskontrolle, sodass sich das Objekt auch in der gewünschten Geschwindigkeit manövrieren lässt. Der hohe Drehzahlbereich eines Servomotors ist damit ein weiterer wichtiger Vorteil. Insgesamt erstreckt sich die Regelbarkeit des Antriebssystems von Servomotoren auf die Bereiche Drehzahl, Strom und Position.

Imposant sind die enorme Vielseitigkeit und Flexibilität von Servomotoren. Da das Antriebssystem neben dem Motor über Sensoren, Aktoren und ein Rückkopplungssystem verfügt, lässt sich seine Leistung auf das Detail genau dem Bedarf anpassen, wodurch Servomotoren für den Prozess der Automatisierung in der Smart Factory prädestiniert sind. Außerdem lässt sich diese Vielseitigkeit durch die Integration von Kommunikationsschnittstellen für den Datenaustausch und die Steuerung externer Systeme weiter ausbauen. Dazu passt, dass ein Servomotor in verschiedene Systeme integrierbar ist. Fortschrittliche Servomotoren erlauben die datengetriebene Analyse und bieten Programmierern unerschöpfliche Möglichkeiten für die Konfiguration.

Für Servomotoren spricht des Weiteren ihre Dynamik. Hochdynamische Servomotoren im Highend-Bereich schaffen eine Geschwindigkeitsbeschleunigung auf 63 Prozent der Maximalleistung in nur einer Millisekunde. Möglich ist diese Leistung durch eine hohe Flussdichte, eine niedrige Läufer-Massenträgheit und einen auf die Motorentwicklung abgestimmten Servoverstärker. Dank ihrer kompakten Bauweise und hochwertigen Materialien erreichen sie hohe Schutzklassen mit einem Standard der Schutzklasse IP65. Servomotoren entfesseln bei einem geringen Eigengewicht eine enorme Kraft und arbeiten energieeffizient bei vergleichsweise geringen Kosten.

Welche Arten von Servomotoren sind möglich?

Servomotoren können je nach Bedarf einen linearen oder rotativen Antrieb aufweisen. Der Antrieb kann mit oder ohne Bürsten erfolgen, wobei Servomotoren mit Bürstenantrieb eine hohe Drehmomentdichte bei niedrigen Kosten aufweisen, während elektronisch angetriebene Servomotoren effizienter sind und eine stärkere Leistungsdichte erreichen.

Für BLDC-Servomotoren, wie bürstenlose Gleichstrommotoren genannt werden, spricht außerdem, dass der Verzicht auf einen Bürstenantrieb und damit auf Kohlebürsten den Vorteil bietet, dass durch die eingesparten Schleifkontakte der Verschleiß geringer ist. BLDC-Servomotoren eignen sich vor allem bei hohen Anforderungen in puncto Haltbarkeit und Wartungsarmut.

Während Servomotoren ohne Bürstenantrieb typischerweise mit Gleichstrom betrieben werden und damit DC-Servomotoren sind, können Servomotoren mit Bürsten sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom angetrieben werden. Im letztgenannten Fall handelt es sich um AC-Servomotoren. Zu beachten ist, dass Servomotoren mit Wechselstrom eine höhere Leistungsdichte erreichen, während Servomotoren mit Gleichstrom präziser arbeiten.

Servomotoren mit Synchronmotoren laufen wiederum synchron zur Frequenz der Stromversorgung und sind zu einer akkuraten Geschwindigkeitskontrolle fähig. Läuft der Motor hingegen asynchron zur Stromversorgung, handelt es sich um asynchrone Servomotoren, die aufgrund ihrer Robustheit und Energieeffizienz bevorzugt im industriellen Kontext genutzt werden.

Sind die Anforderungen in Bezug auf die Position und Geschwindigkeitsrückmeldung hoch, wie dies beispielsweise bei CNC-Maschinen der Fall ist, können Hohlwellen-Servomotoren weiterhelfen. Der Begriff rührt daher, dass der Drehgeber einen hohlen Raum in der Mitte hat, in den eine Welle eingebaut ist.

Mit Servomotoren sind Unternehmen für die digitale Transformation gerüstet

Als vielseitige Motoren mit Rückkopplungsschleifen sind Servomotoren die perfekten Mittler zwischen Antrieb und Steuerung. Bei ihrer Arbeit zeichnen sie sich durch schnelle Reaktionszeiten, eine hohe Dynamik sowie eine präzise Steuerung hinsichtlich der Geschwindigkeit und Richtung aus. Dadurch empfehlen sie sich für den Einsatz in automatisierten Fertigungssystemen und in der Robotik. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, ganzheitliche Systeme zu schaffen, die sich in allen Teilbereichen wunschgemäß steuern lassen.

In der Arbeitswelt der Industrie 4.0 bieten Servomotoren mit ihren Sensoren, Speichersätzen und integrierten Schnittstellen vielfältige Anwendungen, wobei Kunden durch die Wahl der Größe, des Steuerungstyps und der Form in puncto Einsatzspektrum weitere Akzente setzen können. Aufgrund ihrer Flexibilität und Anpassung an digitale Strukturen dürften Servomotoren weiterhin eine Schlüsselrolle bei der Transformation der Arbeitswelt zur Smart Factory spielen und uns noch über viele Epochen hinweg begleiten.

Servomotor – ein Motor, der alles kann