Grundlagen: Der Servomotor - Aufbau, Einsatz, Besonderheiten

Matthias Beetz, Baumüller Nürnberg GmbH

Lesedauer ca. min.

Was ist ein Servomotor

Der Aufbau des Servomotors ermöglicht eine extrem dynamische Bewegung mit hohem Effektivdrehmoment sowie hoher Leistungsdichte und Energieeffizienz. Er besteht von außen nach innen immer mindestens aus einem Gehäuse, in dem sich ein Stator befindet. In diesem liegt die Wicklung aus elektrisch leitfähigem Draht, der unter Energiezufuhr ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Das versetzt den Rotor mit Motorwelle in Rotation, wodurch dann eine Maschine angetrieben werden kann. Weitere wichtige Komponenten sind in vielen Fällen außerdem die Kühlung und der Servoregler.

Folgender Glossar-Artikel behandelt:

Auf einen Blick: Was ist ein Servomotor?

Ein Servomotor ist ein Motor, dessen Funktionsweise im Wesentlichen auf Elektromagnetismus beruht. In seinem Inneren wird ein Energiefeld erzeugt, das einen Rotor antreibt. Durch die stetige Weiterentwicklung können die ehemaligen Hilfsantriebe heute in vielen Bereichen als Hauptantrieb für Maschinen in der Industrie und für vieles mehr eingesetzt werden. Ein moderner Servomotor verfügt über einen sehr kompakten und platzsparenden Aufbau, ist flexibel anpassbar und erlaubt hochdynamische und präzise Prozesse.

Servomotor: Aufbau und Funktionsweise

Der Servomotor besteht aus mehreren wesentlichen Hauptbestandteilen. Zu seinem Aufbau gehören unter anderem:

  • Gehäuse
  • Stator
  • Rotor
  • Motorwicklung (im Stator eingelegt)
  • Kühlung (optional)
  • Leistungsanschluss
  • Feedbacksystem (Geber)
Servomotor Aufbau

Außerdem sind dem Motor selbst weitere Bauteile zugeordnet. Besondere Bedeutung kommt hierbei dem Servoregler zu. Dieser fungiert als Mittler zwischen dem Motor und digitalen Steuerungselementen (z.B. PLC), denn er wandelt die Signale entsprechend um. Erst in dieser Kombination ist der Servoantrieb komplett. Folgende Abschnitte behandeln einige Bauteile im Detail.

Motorwelle und Motorwicklung

Welle und Wicklung sind das eigentliche Herzstück im Aufbau des Motors. Sie fungieren als Rotor und Stator. Betrachtet man den Servomotor von außen nach innen, dann befindet sich unterhalb des Gehäuses der Stator (mit Motorwicklung). Dieser besteht aus einem elektrisch stark leitfähigen Material und kann auf unterschiedliche Arten gestaltet werden: Der Draht kann einerseits hinsichtlich Stärke bzw. Durchmesser variieren, was andererseits auch die Intensität der Verwindung beeinflusst. Je dünner der Draht, umso mehr und engere Windungen lassen sich umsetzen. Diese haben einen wesentlichen Einfluss auf die Spezifikationen des Motors. Mit abnehmender Drahtstärke und zunehmend eng gewickeltem Aufbau entstehen folgende Effekte:

  • Verstärkung des Magnetfelds
  • Erhöhung des maximalen Drehmoments
  • höhere Gegenspannung bei steigender Drehzahl
  • Verringerung des Wirkungsgrads
  • Zunahme der Abwärme, was eine entsprechende Kühlung erfordert 
Servomotor Funktionsweise

Servomotor Funktionsweise

Das bedeutet, dass eine engere Wicklung des Stators dazu führt, dass bei niedriger Drehzahl eine extrem hohe Kraft umgesetzt werden kann. Extruder, Shredder und vieles mehr benötigen viel Kraft bei niedriger Drehzahl, weshalb hier beispielsweise eine enge Wicklung genutzt wird. Bei höheren Drehzahlen fällt die Leistung massiv ab, was in diesen Fällen jedoch unerheblich ist. Die Art der Motorwicklung wird durch den konkreten Einsatzzweck bedingt.

Der Rotor ist die Motorwelle, die sich im Inneren des Stators befindet. Sie wird durch das elektromagnetische Feld der Wicklung in Bewegung versetzt, sobald Energie von außen zugeführt wird. Über die Welle wird die Bewegung dann auf die durch den Servomotor angetriebene Maschine übertragen.

Die richtige Kühlung – besonders effizient mit Wasser

Die Kühlung ist ein essenzielles Element des Servomotors. In der Anwendung kommen verschiedene Formen infrage. Diese können über Luft, Öl oder Wasser funktionieren. Mit einer Wasserkühlung können die höchsten Nennleistungen bei kompakter Bauweise umgesetzt werden. Das bedeutet, die Leistungsdichte nimmt zu. Bedenkt man, dass mit einer höheren Raumerfordernis Kosten entstehen und Flexibilität im Aufbau verloren geht, ist die Steigerung der Leistungsdichte ein wichtiger wirtschaftlicher Faktor im Betrieb jeglicher Industriemaschinen.

Die Servomotoren von Baumüller erlauben eine Wasserkühlung im Spektrum der Baugrößen 45-560 und eine Ölkühlung der Baugrößen 45-200 und sind so platzsparend konstruiert, dass mit einem baugleichen Gehäuse wie bei ungekühlten Varianten gearbeitet werden kann.

Unsere Baumüller Servomotoren sind in verschiedenen Varianten verfügbar, die auch ungekühlt konzipiert sein können. Vor allem für sehr dynamische Anforderungen sollte aber eine Wasserkühlung gewählt werden. Anstelle von Wasser kann auch Öl (HLP-46-Hydrauliköl) verwendet werden. Dabei ist die Kühlwirkung gegenüber Wasser etwas reduzierter, was von der Größe und dem Betriebsmodus des Motors abhängt. Die Flüssigkeitskühlung spart im Vergleich zur Luftkühlung Raum (durch den Wegfall des Lüfters) und ist außerdem auch deutlich weniger wartungsintensiv. Dadurch sinken die Kosten für Service und Ausfall. Wichtig ist die Wasserkühlung vor allem auch bei engem Verbau im Verbund. Werden mehrere Motoren nebeneinander verbaut, heizen sie sich gegenseitig auf, was mit einer Flüssigkeitskühlung effektiv verhindert wird.

Zusammenwirken mit dem Servoregler

Der Servoregler ist quasi das Kommunikationsmedium zwischen Steuereinheit (z.B. PLC) und Motor. Es wandelt Signale von beiden Seiten jeweils um und gibt sie entsprechend weiter. Die Regelung des Motorverhaltens kann dabei besonders exakt eingestellt werden. Zum Beispiel mit der Baumüller b maXX 5000 Familie können Drehmoment, Drehzahl und Position extrem präzise bestimmt werden. Das bedeutet, dass Ziele angesteuert und gehalten werden können, was einen äußerst hohen Grad an Dynamik in der Bewegung ermöglicht.

Baumüller Servoregler

Zusammenfassung – alles auf einen Blick

Der Servo-Aufbau eines Antriebssystems besteht im Wesentlichen aus Stator und Rotor bzw. der Kombination aus Motorwicklung und Motorwelle. Angetrieben wird der Motor durch elektrische Energie, die die Wicklung durchströmt und so ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das die Welle in Rotation versetzt. Weitere wichtige Komponenten sind die Kühlung und der Servoregler. Erstere ist nicht obligatorisch, allerdings für die meisten Anwendungen in der Industrie empfehlenswert. Der Regler ist streng genommen kein Teil des Motors, für dessen präzise Funktionsweise aber dennoch essenziell.

Haben Sie noch Fragen?

Matthias Beetz
Training Engineer Academy I Baumüller Nürnberg GmbH

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