KONSTRUKTIONSÜBERLEGUNGEN ZUR UMWANDLUNG EINER DREHBEWEGUNG IN EINE LINEARE BEWEGUNG - Portescap

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KONSTRUKTIONSÜBERLEGUNGEN ZUR UMWANDLUNG EINER
DREHBEWEGUNG IN EINE LINEARE BEWEGUNG
Einführung
Ein Standard-Minielektromotor erzeugt eine Drehbewegung. In vielen Anwendungen bewegt sich die Last jedoch linear statt rotativ.
Dies ist typischerweise bei medizinischen Pipetten und Spritzen, Mesotherapiegeräten und Bestückungsmaschinen für Industriemärkte
und Flüssigkeitsregelventile der Fall. Ingenieure müssen daher ihr eigenes System entwickeln, um Drehbewegung in lineare Bewegung
umzuwandeln.

Der Schwerpunkt sollte hier auf der Entwicklung des Kernprodukts liegen. Die Auswahl des Miniaturmotors und das Design des
Übertragungssystems sollten von Motion Spezialisten vorgenommen werden, damit wertvolle Entwicklungszeit eingespart werden
kann. Im Folgenden werden die Möglichkeiten für die Umwandlung in lineare Bewegung genauer besprochen.

Die Drehbewegung kann über ein auf der Motorwelle montiertes Spindel- und
Muttersystem in lineare Bewegung umgewandelt werden. Es gibt dabei zwei
Haupttypen von Spindel- und Muttersystemen:

 » Eine Kugelgewindespindel (siehe Abbildung 1) wirkt auf den Rollkontakt
 zwischen der Mutter und einer Spindel. Die Kugel wird entlang einer
 spiralförmigen Nut zurückgeführt. Aufgrund der Rollkomponenten weist
 diese Lösung sehr geringe Reibung auf, was einen hohen Wirkungsgrad
 (über 90 %) und hohe Belastbarkeit ermöglicht.
 » Eine Gewindespindel (siehe Abbildung 2) besteht aus einer Spindel (im
 Allgemeinen aus Edelstahl) und einer Mutter (im Allgemeinen aus Kunststoff).
 Beide Komponenten stehen in direktem Kontakt, wodurch mehr Reibung
 als bei der Kugelgewindespindel entsteht. Diese Option ist jedoch eine
 gute, wirtschaftliche Lösung, wenn Kosten eine wichtige Rolle spielen. Das
 Material der Mutter beeinflusst generell die Lebensdauer und die maximale
 Abbildung 1: Kugelgewindespindel
 Belastbarkeit der Baugruppe. Mit zwei vorgespannten Muttern kann das
 Axialspiel allerdings beseitigt werden.

In der Regel gibt es zwei in Frage kommende Arten von linearen Lösungen:

 • Option 1: Die Gewindespindel ist direkt in den Motor integriert.
 • Option 2: Die Gewindespindel ist auf der Motorwelle montiert.

Option 1: Motor mit integrierter Gewindespindel
Standardmäßige Linearaktuatoren (oft als digitale Linearantriebe bzw. DLA
bezeichnet) sind eine vollständig integrierte lineare Lösung, bei der ein Schrittmotor
mit Becherstapel verwendet wird. Dies ist generell eine kostengünstige Lösung.
Die Schritttechnologie hat zur Folge, dass der Motor ein Positionierungssystem für
sich darstellt, sodass für die Steuerung keine Positionsrückführung erforderlich
ist. Der DLA kann je nach gewünschter Auflösung in vollen Schritten, halben
Schritten oder Mikroschritten betrieben werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der
DLA aufgrund des Rastmoments des Motors seine Position bei abgeschalteter Abbildung 2: Gewindespindel
Stromzufuhr beibehalten kann.

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Bei der linearen Übertragung ist in der Rotorbaugruppe (siehe Abbildung 3) die Mutter überspritzt mit einem speziellen Material, das
die Reibung optimiert, was für eine effiziente Lösung und lange Lebensdauer sorgt.

Einige Produkte verfügen sogar über eine spezielle Kugellagerbaugruppe, bei der die Kugellager mit einer Wellenscheibe vorgespannt
sind, um das Axialspiel zu verringern (siehe Abbildung 3). Auf diese Weise werden die lineare Positionierungsgenauigkeit sowie die
Wiederholbarkeit der Bewegung verbessert. Die Gewindespindel wird während der Bewegung aus- und eingefahren und kann auf
Wunsch in dieselbe Ausgangsposition zurückgebracht werden.

 Abbildung 3: Beispiel eines Linearaktuators mit Becherstapel und ohne Axialspiel

Wenn Sie nach der am besten geeigneten linearen Bewegungslösung suchen, sollten Sie auch einige Optionen in Erwägung ziehen, die
allgemein als Standard für die Lösungsoptimierung verfügbar sind:

 » Hublänge
 » Steigung der Gewindespindel (in der Regel zwei oder drei Auswahlmöglichkeiten/Referenzen)
 » Spulentyp: bipolar oder unipolar
 » Nennspannung der Spule
 » Nennstrom
 » Unverlierbare Gewindespindel (integrierte Verdrehsicherung) oder nicht unverlierbare Gewindespindel (siehe Abbildung 4)
 » Verschiedene Gewindespitzen in metrischen und imperialen Maßen erhältlich

Linearaktuatoren können sehr kostengünstig eine hohe Linearkraft und Zuverlässigkeit für Ihre Maschine bieten.

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 Abbildung 4: Design mit und ohne Verdrehsicherung im Vergleich

Option 2: Kundenspezifische Motorlösung
Für Anwendungen, die hohe Leistung auf begrenztem Bauraum erfordern, wird empfohlen, eine anpassbare Lösung in Betracht zu
ziehen. Kundenspezifische Lösungen werden normalerweise entweder mit einem Bürsten-Gleichstrommotor, einem bürstenlosen
Gleichstrommotor oder einem Scheibenmagnet-Schrittmotor versehen. Diese Technologien bieten verschiedene Vorteile gegenüber
Schrittmotoren mit Becherstapel. Beispielsweise empfehlen wir für Anwendungen mit hoher Beschleunigung die Verwendung eines
Motors mit geringer Trägheit, z. B. eines Scheibenmagnet-Schrittmotors. Für hohe Leistung auf kleinem Bauraum ist möglicherweise
eine Kombination aus bürstenlosem Gleichstrommotor, Getriebe und Gewindespindel die beste Lösung. Wenn ein hoher Wirkungsgrad
erzielt werden soll, ist vermutlich ein kernloser Bürsten-Gleichstrommotor am besten geeignet. Dies gilt insbesondere, wenn es sich
um eine batteriebetriebene Anwendung handelt. Einige Zubehörteile können auch an den Motoren montiert werden, z. B. ein Encoder
für hochauflösende Positionsrückführung.

Eine maßgeschneiderte Lösung bietet zudem Flexibilität bei der Auswahl der Gewindespindel. Das Forschungs- und Entwicklungsteam
kann entscheiden, ob eine Kugelumlaufspindel oder eine normale Gewindespindel besser geeignet ist, unterschiedliche Steigungen
vorschlagen, das Material anpassen und sogar die Abmessungen optimieren.

Beim Entwurf einer motorisierten Baugruppe muss sowohl die von der Anwendung benötigte Leistung als auch die auf Motorebene
erzeugte Leistung bekannt sein. Es gibt einige physikalische Beziehungen, die bei der Umwandlung der gewünschten Ausgangskraft und
linearen Geschwindigkeit in das erforderliche Antriebs- und Drehmoment zum Tragen kommen. Im Folgenden sind einige Beispiele dafür
aufgeführt, wie Sie die optimale Lösung für die für Ihre Anwendung erforderliche Leistung ermitteln können.

Beispiel 1: Digitaler Linearantrieb
Anwendungsbeschreibung
Ein Team entwickelt ein medizinisches Laborgerät, das eine kleine Menge Flüssigkeit in Reagenzgläsern bewegt. Einer der Motoren
steuert eine Mehrkanalpipette. Die Motorkomponente ist auf einen maximalen Durchmesser von 20 mm begrenzt. Gute Wiederholbarkeit
und hohe Genauigkeit sind wichtig, um bei jedem Vorgang konstant die gleiche Flüssigkeitsmenge bereitzustellen.

Der Arbeitsprozess kann in zwei Hauptschritte unterteilt werden:

 Î Schritt 1: Pipetten in einem Schritt innerhalb von 4 Sekunden füllen.
 ƒ Zurückgelegter Weg der Pipette: 50 mm in 4 Sek. Geschwindigkeit = 12,5 mm/Sek
 ƒ Kraft: 20 N bei viskoser Flüssigkeit
 Î Schritt 2: Pipetten entleeren. Der Inhalt der Pipetten wird in winzige Mengen und auf mehrere Reagenzgläser aufgeteilt.
 ƒ Zurückgelegter Weg: Der Weg der Pipette muss in 30 Teilschritte unterteilt werden können, d. h. 50 mm / 30 =
 1,6 mm
 ƒ Kraft: 15 N

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Lösung
Digitale Linearantriebe sind für gewöhnlich eine gute Lösung für diesen Gerätetyp. Gründe hierfür sind unter anderem:

 » Die Lösung ist normalerweise als Standard verfügbar, es ist also keine Entwicklung erforderlich.
 » Aufgrund der Schritttechnologie ist es einfach, die Flüssigkeitsabgabe in Teilvolumina zu unterteilen.
 » Dank der vorgespannten Kugellagerbaugruppe gibt es im DLA kein Axialspiel, was eine gute Wiederholbarkeit zur Folge hat.

Zur Auswahl eines Motors empfehlen wir den folgenden Vorgang. Für das Beispiel wird der von Portescap angebotene Motor 20DBM
genutzt (siehe Abbildung 5):

 • Abmessungen: Lösung mit Durchmesser > 20 mm entfernen 1
 • Hublänge: Der zurückgelegte Weg beträgt 50 mm, die minimale Hublänge beträgt also 50 mm. Die unverlierbare Version kann
 ausgeschlossen werden, da die Hublänge kleiner als 50 mm ist. 2
 • Leistung: Überprüfen Sie, ob der Motor unter der erforderlichen Kraft arbeiten kann. 3
 • Berechnen Sie die Frequenz, die erforderlich ist, um die angestrebte lineare Geschwindigkeit zu erreichen. Die Frequenz hängt
 von der Steigung der Gewindespindel ab. Siehe Spalten 3 und 5 in Tabelle 1. 4

Beziehen Sie sich auf die Anfangskraft im Schaubild, wenn Sie die Spindelsteigung auswählen. Siehe Spalte 4 in Tabelle 1. 5

 • Spule: Es ist wichtig, eine an die Stromversorgung angepasste Spule auszuwählen. Eine Spule mit einer geringen Anzahl von
 Umläufen hat einen geringen Widerstand und ist für einen Stromversorgungstyp mit hoher Stromstärke und niedriger Spannung
 geeignet. Eine Spule mit einer hohen Anzahl von Umläufen hat einen hohen Widerstand und ist für einen Stromversorgungstyp
 mit niedriger Stromstärke und hoher Spannung geeignet. 6

 1 2 3 4 5 6
 Spindel-
 Frequenz zum Erreichen Max. Kraft Anzahl der Schritte Anmerkungen
 typ Steigung für die
 einer Drehzahl von bei Nennstrom bei 1,5 Nennstrom
 verfügbar, Flüssigkeitsabgabe
 12,5 mm/Sek. (PPS) und einer und einer
 linearer Weg Geschwindigkeit Geschwindigkeit
 in Teilvolumen
 lineare Abtriebsdrehzahl
 pro Schritt (12,5 mm/s) von 12,5 mm/s von 12,5 mm/s (PPS)
 (mm) Unterschrittweg (1,6 mm)
 linearer Weg pro Schritt (N) (N)
 linearer Weg pro Schritt

 05 Nicht in der Grafik, Frequenz zu 126 Aufgrund der geringen
 hoch Steigung kann die
 Höchstgeschwindigkeit
 0,0127 984 nicht erreicht werden
 10 26 N 40 N 62 Diese
 Geschwindigkeit und
 0,0254 492 Kraft sind erreichbar.
 20 18 N 25 N 31 Bei Nennstrom kann
 der Motor nicht
 genügend Kraft
 bereitstellen. Wenn
 der Strom 1,5 mal
 höher als der
 Nennwert ist, kann die
 Kraft erreicht werden,
 aber es muss auf
 Überhitzung geachtet
 0,0508 246 werden.

 Tabelle 1. Auswahl der 20DBM-Spindelsteigung

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 Digitaler Linear Aktuator
 20DBM-L 1 Ø 20 mm • RoHS-konform • 50 N 3
 33,27±0,5 0,64 [0,0252] SQ. PIN
 [1,310±0,020] 17,02 [0,670] MAX
 (4X) REF
 26,16±0,13 5,66±0,05 [0,223±0,002]
 13,46 [0,530] MAX
 [1,030±0,005] 3,3±0,05 [0,130±0,002] 'A'
 11,43±0,13 'B' 6,43±0,25 [0,253±0,010]
 1,0±0,05 [0,0394±0,0020]
 [0,450±0,005]
 PIN 1
 Ø3,56 [Ø0,140] REF 12,37±0,13 [0,487±0,005] REF 2,54 [0,100] PITCH (3X)
 ANSICHT 'A'
 3,48 [0,137] REF
 M2 X 0,4-6g Ø14,35±0,05 1,22 [0,048] REF
 (ANDERE EINHEITLICHE [Ø0,565±0,002] Ø20,5 [Ø0,807] MAX
 Ø3,66±0,05 ANDMETRISCHE GEWINDE 5,11 [0,201] REF
 VERFÜGBAR) Ø16,26±0,05 23,62 [0,930] MAX
 [Ø0,144±0,002] [Ø0,640±0,002] 2,31 [0,09] REF
 3,81±0,13 [0,150±0,005] 76,2±0,76 [3,00±0,03] DETAIL 'B'
 Maße in mm [Zoll]
 6
 20DBMXX••••••-K
 Elektrische Daten Einheit
 D2B Bipolar D1B Bipolar D3B Bipolar D4B Bipolar
 1 Betriebsspannung 12 5 2,9 1,4 VDC
 2 Widerstand pro Phase, ± 10 % 100,5 17,5 5,7 1,4 Ohms
 3 Induktivität pro Phase, Typ 45,0 7,0 2,4 0,6 mH
 4 Nennstrom pro Phase, 1 Phase EIN 0,17 0,41 0,71 1,41 A
 5 Spannungsversorgung 2,9 2,9 2,9 2,9 W

 Allgemeine Daten XX Linearer Weg pro Schritt

 05 bei 0,0005 Zoll (0,0127 mm) 50 (180) N (oz)
 6 Min. Haltekraft bei Nennstrom 10 bei 0,001 Zoll (0,0254 mm) 35 (126) N (oz)
 20 bei 0,002 Zoll (0,0508 mm) 4 22 (79) N (oz)
 05 bei 0,0005 Zoll (0,0127 mm) 50 (180) N (oz)
 7 Min. Haltekraft (stromlos) 10 bei 0,001 Zoll (0,0254 mm) 13,9 (50) N (oz)
 20 bei 0,002 Zoll (0,0508 mm) 5,5 (20) N (oz)
 8 Hublänge, Typ 50 (1,97) mm (in) 2
 9 Lineare Verfahrgenauigkeit ± 1 Schritt
 10 Schritte pro Umdrehung 48
 11 Umgebungstemperaturbereich (in Betrieb) -20 bis +70 (-4 bis +158) °C (°F)
 12 Max. Wicklungstemperatur 130 (266) °C (°F)
 13 Kugellagertyp Kugellager
 14 Isolationswiderstand bei 500 VDC 20 Mohms
 15 Prüfspannung 650 für 2 Sekunden VAC
 16 Gewicht 35 (1,23) g (oz)
 17 Kabel
 Hinweise: 1. Alle Motordaten bei 20 °C (sofern nicht anders spezifiziert) – 2. Spannung mit Spannungstreiber (Indikator R•I)

 BIPOLARE SPULE
 gelb ROT GRAU GELB SCHWARZ
 PIN-Nr. SPULE KABEL
 Ausfahren

 + - + - 1 Frontstart Gelb
 schwarz + - - + 2 Frontpartie Schwarz
 - + - +
 Einfahren

 3 Heck Grau
 - + + - 4 Heckstart Rot
 5 + - + -
 grau
 rot

 VON ABTRIEBSWELLE AUS BETRACHTET
 Lineare Kraft-Geschwindigkeits-Kurven (Pull-In) Lineare Kraft-Geschwindigkeits-Kurven (Pull-In)
 Mikroschritt (8/Vollschritt), PWM, 1x Nennstrom Mikroschritte (8/Vollschritt), PWM, 1x Nennstrom
 Mit 5-V-Motor und 24-V-Stromversorgung erstellte Kurven Mit 5-V-Motor und 24-V-Stromversorgung erstellte Kurven
 45,0 70,0
 40,0 60,0
 35,0
 50,0
 Kraft (N)

 30,0
 Kraft (N)

 25,0 40,0
 20,0 30,0
 15,0 20,0
 10,0
 10,0
 5,0
 0,0 0,0
 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
 Drehzahl (Vollschritt/s) Drehzahl (Vollschritt/s)
 20DBM05DXB-L 20DBM10DXB-L 20DBM20DXB-L 20DBM05DXB-L 20DBM10DXB-L 20DBM20DXB-L

 154 V012021 • © 2020 Portescap. Änderungen der technischen Daten vorbehalten.
 Abbildung 5: Auswahlverfahren für Linearaktuatoren

» Unter Berücksichtigung der Parameter und Leistungen im obigen Beispiel wäre der Motor mit der Spindel 10 eine gute Option.

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Beispiel 2: Kundenspezifische Motorlösung
Anwendungsbeschreibung
Ein anderes Ingenieurteam entwickelt derzeit ein medizinisches Gerät, das während einer Operation von einem Arzt verwendet wird.
Es gelten die folgenden Anforderungen:

Das Werkzeug wird von einem Arzt verwendet und soll batteriebetrieben sein, um für bessere Ergonomie zu sorgen. Der Ingenieur kann
nur eine Lösung mit einem maximalen Durchmesser von 13 mm unterbringen und das Werkzeug muss so optimiert werden, dass es
einen guten Wirkungsgrad erzielt.

Die typischen Leistungsanforderungen sind wie folgt (siehe Tabelle 2):

 Kraft (N) 100
 Geschwindigkeit (mm/s) 7
 Erforderliche mechanische Kraft (W) 0,7

 Tabelle 2: Anschlusswerte

Leistungsberechnung
Da die Lösung batteriebetrieben ist, eignet sich die Technologie des kernlosen Bürsten-Gleichstrommotors gut, um einen hohen
Wirkungsgrad zu erreichen. Die vom Motor angeforderte Leistung kann geschätzt werden, indem ein Getriebewirkungsgrad von 75 %
und ein Gewindespindelwirkungsgrad von 50 % angenommen werden, was eine Leistung von 1,87 W ergibt.

 ∗ 100 ∗ 0,007
 = = = 1,87 
 Steigung ∗ 0,75 ∗ 0,5

Durch Berechnung der geschätzten Leistung kann die typische Größe des Motors ermittelt werden. In diesem Beispiel kann bestätigt
werden, dass ein Motor mit kleinem Durchmesser die Aufgabe bewältigen kann.

Umwandlung von linearer Geschwindigkeit/Kraft in Drehzahl/Drehmoment
Da der Motor eine Drehbewegung erzeugt, müssen wir die lineare Geschwindigkeit in Umdrehungen und die Kraft in ein Drehmoment
umwandeln. Die Umrechnung hängt von der Gewindespindel ab, die durch ihre Steigung definiert wird.

Physikalische Beziehungen
Wenn sich die Schraube (auf der Welle montiert) um eine Umdrehung (2 π) dreht, bewegt sich die Mutter linear um einen Weg, welcher
der Steigung entspricht (siehe Abbildung 6).

 Abbildung 6: Motor und Gewindespindel

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Folglich besteht die folgende Beziehung, die es ermöglicht, die lineare Geschwindigkeit in Umdrehungsgeschwindigkeit umzuwandeln:

 P: Steigung (mm)
 ∗ η: Wirkungsgrad der Gewindespindel
 = T: Drehmoment: (mNm)
 : Drehzahl: (Rad/s) N (U/min)
 v : Lineare Geschwindigkeit: (m/s)
 F : Lineare Kraft: (N)

Wenn wir uns das Leistungsverhältnis ansehen, können wir das Verhältnis von Kraft und Drehmoment ableiten:

 ∗ 
 =
 ∗ 

Die physikalische Umrechnungsformel kann auf das Beispiel angewendet werden. Da das Drehmoment und die Drehzahl von der
Gewindespindel abhängen, können wir zwei verschiedene Steigungen für die Berechnung nutzen, um die Auswirkungen der
Steigungsauswahl nachzuvollziehen.

Hinweis: Die Wahl der Gewindespindel wirkt sich auf den Wirkungsgrad aus, da der Wirkungsgrad mit der Reibung des Materials und
dem Spindelwinkel zusammenhängt.

Die vorherigen Beziehungen werden nun auf das Beispiel angewendet (siehe Tabelle 3).

 Gewindespindel 1 Gewindespindel 2
 Steigung (mm) Wirkungsgrad (%) Steigung (mm) Wirkungsgrad (%)
 2 0,4 5 0,64
 Drehzahl ∗ ∗ 
 ∗ = = R = = 
 = 
 
 N = 210 U/min N = 84 U/min
 Drehmoment ∗ ∗ 
 ∗ = =
 = ∗ , ∗ , 
 ∗ Steigung
 79,6 mNm 124,3 mNm
 Motorleistung
 = ∗ P = 22 * 79,6 = 1,7 W P = 8,7 * 124,3 = 1,1 W

 Tabelle 3: Berechnung von linearer Drehzahl und Drehmoment in Abhängigkeit von der Gewindespindel

Eine geringere Steigung erfordert eine höhere Drehzahl und ein geringeres Drehmoment als die größere Steigung. Im Allgemeinen wird
bei geringerer Steigung aufgrund des geringeren Wirkungsgrads auch mehr Leistung benötigt.

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Getriebeauswahl
Die Getriebeauswahl hängt vom Abtriebsdrehmoment und von der Antriebsdrehzahl ab.

Gemäß dem Portescap-Katalog ist das Getriebe R13 für beide Spindeln geeignet. Dieses Getriebe hat ein maximales Abtriebsdrehmoment
von 0,25 Nm (> berechnetes Drehmoment). Die maximale Antriebsdrehzahl dieses Getriebes beträgt 7500 U/min.

Übersetzungsauswahl
Anhand der maximal empfohlenen Antriebsdrehzahl des Getriebes kann festgelegt werden, welche maximale Übersetzung gewählt
werden soll.

Zur Definition der maximalen Übersetzung wird das maximale Antriebsdrehmoment durch das Abtriebsdrehmoment geteilt und das
Ergebnis wird mit der verfügbaren Übersetzung verglichen (siehe Tabelle 4).

 Gewindespindel 1 (Steigung 2 mm, η = 40 %) Gewindespindel 2 (Steigung 5 mm, η = 64 %)

 Betriebsdrehzahl
 210 U/min 84 U/min
 Zuvor berechnet
 Maximale Antriebsdrehzahl
 des R13-Getriebes (siehe 7500 U/min 7500 U/min
 Datenblatt)
 Maximale theoretische Übersetzung 7500 7500
 max. Antriebsdrehzahl
 210
 = 35,7 84
 = 89,2
 Betriebsdrehzahl
 Nächste verfügbare Übersetzung* Getriebe R13 Übersetzung 30,2 Getriebe R13 Übersetzung 88
 (Wirkungsgrad 75 %) (Wirkungsgrad 65 %)

 Tabelle 4. Auswahl der Übersetzung im Getriebe

*Im Allgemeinen wird die nächstgelegene und kleinste verfügbare Übersetzung gewählt, um mit einem Antriebsdrehmoment zu
arbeiten, das unter dem empfohlenen maximalen Antriebsdrehmoment liegt.

Motorauswahl
Bevor der Motor ausgewählt wird, muss das Antriebsdrehmoment des Getriebes berechnet werden. Da es sich um eine durchgehende
Anwendung handelt, muss der Motor ein maximales Dauerdrehmoment haben, das höher ist als das Antriebsdrehmoment des Getriebes
der Anwendung (siehe Tabelle 5).

 Gewindespindel 1 Gewindespindel 2
 (Steigung 2 mm, η = 40 %) (Steigung 5 mm, η = 64 %)
 + +
 Getriebe R13 Übersetzung 30,2 Getriebe R13 Übersetzung 88
 Betriebsdrehmoment /Abtriebsdrehmoment des Getriebes
 79,6 mNm 124,3 mNm
 Zuvor berechnet
 Antriebsdrehmoment des Getriebes /
 Betriebsdrehmoment des Motors (mNm)
 79,6 124,3
 30,2 ∗ 0.75
 = 3,5 mNm 88 ∗ 0,88
 =2,1 mNm
 Betriebsdrehmoment
 Getriebeübersetzung * Getriebewirkungsgrad

 Tabelle 5. Berechnung des Drehmoments auf Motorebene

Für beide Spindeln können wir den Motor 12G88 mit einem maximalen Dauerdrehmoment von 3,5 mNm verwenden.

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Lösungsauswahl
Die elektrische Leistung, der Wirkungsgrad und die Lösungsdimension können nun für die einzelnen Lösungen berechnet werden
(siehe Tabelle 6).

Der Motor 12G88 215E hat die folgenden Spezifikationen:

 » Drehmomentkonstante k = 4,9 mNm/A
 » Widerstand R = 3,2 Ω

 Gewindespindel 1 Gewindespindel 2
 (Steigung 2 mm, η = 40 %) (Steigung 5 mm, η = 64 %)
 + +
 Getriebe R13 Getriebe R13
 Übersetzung 30,2 Übersetzung 88
 + +
 Motor 12G88 Motor 12G88

 Arbeitsdrehmoment des Motors 3,5 mNm 2,1 mNm

 Stromaufnahme
 Arbeitsdrehmoment 0,7 A 0,4 A
 Drehmomentkonstante k
 Betriebsdrehzahl des Motors
 Arbeitsdrehmoment des Getriebes * 6342 U/min 7392 U/min
 Übersetzung
 Spannung
 5,5 V 5,1 V
 U = R*I + k*ω
 Elektrische Leistung
 3,85 W 2,04 W
 Spannung * Stromaufnahme
 In der Anwendung benötigte mechanische Leistung
 0,7 W 0,7 W
 Lineare Geschwindigkeit * Kraft
 Gesamteffizienz
 Mechanische Leistung 18 % 30 %
 Elektrische Leistung

 Länge (mm) 46,8 mm 50,9 mm

 Gewicht (g) 24 g 27 g

 Tabelle 6. Leistungsberechnungen für die Lösungen

Vom technischen Standpunkt aus gesehen sind beide Lösungen möglich, aber abhängig von den Anforderungen der Anwendung
ist entweder Option 1 oder Option 2 besser geeignet. Wenn beispielsweise die Batterielebensdauer im Vergleich zum Lösungspaket
priorisiert werden soll, ist vermutlich Option 2 die beste Wahl. In der Tat beträgt der Gesamtwirkungsgrad hier 30 %, während bei
Option 1 nur 18 % erreicht werden. Der Nachteil von Option 2 ist dessen Größe, da Getriebe 2 eine Stufe mehr als Option 1 aufweist,
was diese Lösung 3 g schwerer und 3,1 mm länger macht.

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Schlussfolgerung:
Bei linearen Anwendungen können Motorlieferanten das Entwicklungsteam unterstützen, indem sie standardmäßige Linearmotoren
anbieten oder eine lineare, kundenspezifische Motorlösung entwickeln. Für beide Parteien (Motorlieferant und Anwendungsentwickler)
ist es wichtig, die technischen Anforderungen im Gerät, aber auch auf Motorebene zu definieren. Bei jeder Entwicklung ist es
unabdingbar, die Anforderungen des Projekts vollständig zu verstehen, um den besten Kompromiss zwischen technischen und
kommerziellen Anforderungen zu finden.

 Clémence Muron
 Anwendungstechniker

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