Grundlagen: Der Servomotor – Funktionsweise, Eigenschaften, Anwendungsgebiete

Matthias Beetz, Baumüller Nürnberg GmbH

Lesedauer ca. min.

Der Servomotor ist ein Elektromotor, der über eine Regelelektronik (Servoregler) die kontinuierliche Bestimmung von präzisen Positionen, Drehzahlen und Drehmoment ermöglicht. Über eine Softwareschnittstelle zur Regelelektronik kann zudem eine genaue Parametrierung und Programmierung zur Ansteuerung des Motors erfolgen, die einen hohen Grad an Dynamik und Individualität bereitstellt.

Insbesondere additive Verfahren in der Kunststoffproduktion sowie Lösungen im Bereich Automatisierung und Robotik lassen sich damit effizient umsetzen und erlauben ein Höchstmaß an Präzision für Produktionsprozesse.

Begriffsherkunft

Der Begriff Servomotor ist historisch zu sehen. Lateinisch bedeutet „servus“ Diener oder Sklave. Der Name kommt von früheren Einsatzbereichen, in denen die Motoren als unterstützende Antriebe (Hilfsantriebe) genutzt wurden. Durch die rapide Weiterentwicklung der Bauteile – z.B. durch die Halbleitertechnik – werden sie heute auch immer häufiger als Hauptantriebe eingesetzt, wenn ein hoher Grad an Dynamik und Präzision gefordert ist.

Definition heute: Was ist ein Servomotor?

Servomotoren verfügen aufgrund ihrer Funktionsweise über die Besonderheit, dass sich Drehmoment, Geschwindigkeit und Lage präzise regeln lassen und damit sehr feine und dynamische Bewegungen möglich gemacht werden. Verbunden ist er immer mit einem Servoregler, der die Signale einer heute meist digitalen Steuereinheit umwandelt und deshalb eine genaue Programmierung zulässt. Im produzierenden Gewerbe kommen Servomotoren bei allen Arten von Automatisierungslösungen zum Einsatz – z.B. der Walzensteuerung von Druckmaschinen, additiven Fertigungsverfahren in der Kunststofftechnik oder jeglicher Form von Robotik.

Funktionsweise eines Servomotors

Moderne Servomotoren werden über einen Servoregler angesteuert – beides zusammen bildet den Servoantrieb. In dieser Kombination kann der Motor mit sehr dynamischen Bewegungen, hohem Effektivdrehmoment sowie hoher Leistungsdichte betrieben werden. Durch seine Funktionsweise ist er zudem besonders energieeffizient und kann bei relativ geringem Abmaß eine hohe Nennleistung erreichen. Dadurch werden auf mehreren Ebenen Kosten gespart, die sich in einer besseren Wirtschaftlichkeit servogestützter Antriebssysteme niederschlagen.

Die größte Stärke des Servomotors und seiner Funktionsweise ergibt sich aber erst im Zusammenspiel mit dem Servoregler. Gemeinsam sind softwaregestützte Programmierungen möglich, die für eine herausragende Präzision sorgen. Vorgegebenes Drehmoment, Position und Geschwindigkeit können genauestens geregelt und dynamisch an die erforderliche Bewegung angepasst werden. Dadurch sind sehr komplexe maschinelle Prozesse umsetzbar.

Die richtige Kühlung

Da Servomotoren in der Regel stark beansprucht werden, ist eine effektive Kühlung in vielen Fällen unverzichtbar. Diese kann auf unterschiedliche Arten umgesetzt werden:

  • Luft
  • Öl
  • Wasser 

Luftkühlung kann eine Option sein, hat aber den Nachteil, relativ viel Raum einzunehmen und durch regelmäßig nötige Reinigungsarbeiten wartungsintensiv zu sein. Wird nicht gereinigt, sinkt die Kühlleistung und es kann zu Maschinenausfällen kommen.

Ein wassergekühlter Servomotor kann deutlich platzsparender verwirklicht werden und benötigt weniger Wartung. Dazu kommt außerdem, dass auch eine enge Anreihung mehrerer Servos möglich ist, ohne dass diese sich durch die entstehende Abwärme gegenseitig aufheizen. Dasselbe gilt für die Kühlung mit Öl, allerdings ist hier die Kühlleistung etwas geringer.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Wasserkühlung vor allem für anspruchsvolle Einsatzgebiete die Ideallösung ist. Die wassergekühlten Servomotoren von Baumüller lassen sich im Vergleich zu ungekühlten Varianten bei gleichem Abmaß mit deutlich mehr Leistung betreiben.

Wie wird ein Servomotor angesteuert?

Als Mittler zwischen Steuerung und Motor wird ein sogenannter Servoregler verwendet. Das Bauteil ist in seiner Funktionsweise auch als Servoumrichter oder Servoverstärker bekannt und regelt Drehmoment, Drehzahl und Position des Motors mit hoher Präzision. Es bildet die Schnittstelle zwischen der Software-Oberfläche und dem Motor und wandelt die Signale entsprechend um.

Der Servomotor und die Vorteile seiner Funktionsweise

Der Servoantrieb bietet vor allem ein hohes Maß an Präzision und kann definierte Positionen ansteuern sowie halten, ohne dabei Drehmoment zu verlieren. Dadurch lassen sich sehr schnelle Beschleunigungen und Abbremsungen auf bestimmte Drehzahlen durchführen. Die durch den Servomotor angetriebenen Maschinen oder auch Roboter können daher überaus dynamische Bewegungen umsetzen und eignen sich hervorragend für komplexe Arbeiten.

Servomotoren verfügen über ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis durch vergleichsweise geringe Initialkosten, geringen Wartungsaufwand und eine hohe Lebensdauer. Sie lassen sich auch gut in bestehende Systeme integrieren.

Funktion in vielen Einsatzgebieten

Die Einsatzgebiete erstrecken sich über nahezu alle Bereiche des produzierenden Gewerbes. Darunter besonders:

  • Kunststoffindustrie
  • Verpackungsmaschinen
  • Textilverarbeitung
  • Drucktechnik
  • E-Mobilität
  • Schiffbau
  • Energietechnik
  • Metallbearbeitung
  • Pharmaindustrie

Kunststoffindustrie

In der Kunststoffverarbeitung lässt sich von der Funktionsweise der Servomotoren besonders gut profitieren. Sie kommen sowohl beim Spritzguss zum Einsatz als auch bei den mittlerweile weitläufig etablierten additiven Verfahren. Gerade bei der Herstellung von Kunststoffteilen in allen Bereichen der Mobilität ist ein Höchstmaß an Präzision gefordert, das sich mit dem passenden Servo-System optimal umsetzen lässt.

Textilverarbeitung

Weben, Stricken, Wirken und viele weitere Arten der textilen Verarbeitung benötigen für ein gutes Endergebnis präzise und dynamische Maschinen. Die Funktionsweise eines Servoantriebs ist auch hierfür ideal, da nicht nur die nötige Präzision erreicht wird, sondern die charakteristische Wartungsarmut auch wirtschaftlichere Prozesse ermöglicht.

Drucktechnik

Die Antriebssysteme für Papier- und Druckmaschinen profitieren ebenfalls stark vom Servomotor. Hier lassen sich individuell zugeschnittene Lösungen für die vielseitigen Anforderungen der Druckindustrie umsetzen.

Zusammenfassung – alles auf einen Blick

Die Funktionsweise beim Servomotor bietet viel Flexibilität, Präzision und Verlässlichkeit bei hoher Kosteneffizienz. Er kann Positionen, Drehmoment und Drehzahlen präzise und in Sekundenbruchteilen ansteuern und halten. Dadurch werden komplexe Maschinenhandlungen möglich gemacht, die auch schwierige Produktionsverfahren umsetzen können und deshalb besonders gut für Robotik und Automatisierungslösungen geeignet sind.

Baumüller-Servomotoren optimieren die bereits effiziente Funktionsweise der Antriebsart. In Kombination mit dem entsprechenden Servoregler lassen sich komplexe, dynamische und individuell auf die Gegebenheiten angepasste Systemlösungen verwirklichen.

Für nähere Informationen zu Servomotor-Aufbau und individueller Implementierung in bestehende Systeme können Sie jederzeit gerne persönlich Kontakt zu uns aufnehmen.

Haben Sie noch Fragen?

Matthias Beetz
Training Engineer Academy I Baumüller Nürnberg GmbH

Unser zuständiger Experte hilft Ihnen gerne weiter.

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