Hocheffiziente Elektrowerkzeuge und Industrieanwendungen nutzen heute fast durchgehend bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Antriebe), wofür es eine breite Auswahl an Standardkomponenten gibt – von Ansteuerelektronik über Motoren bis zu Getrieben. Doch diese stossen rasch an ihre Grenzen, sobald Platz-, Design- oder Funktionsanforderungen enger werden. Ein Baukasten von Helbling ermöglicht es auch in diesen Fällen, rasch und kosteneffizient eine kompakte Lösung zu entwickeln.
Wenn Platz- oder Designvorgaben bei Elektrogeräten eng ausfallen, reichen Standardkomponenten oft nicht aus. Diese Erfahrung machen viele Unternehmen, die bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Antriebe) für ihre Produkte nutzen wollen. So auch etwa im Fall handgeführter Elektrowerkzeuge. Der Antriebsstrang muss kompakt, leicht und kostengünstig sein – ohne bei Leistung, Effizienz oder Wärmeverhalten Abstriche zu machen. Die Ansteuerelektronik soll keine überflüssigen Funktionen mitführen. Gleiches gilt für Industrieanwendungen, die unter beengten und kostensensitiven Bedingungen integriert werden müssen.
Massgeschneiderte Antriebslösungen machen den Unterschied
Gerade hier entsprechen Lösungen von der Stange häufig nicht den qualitativ hochwertigen Ansprüchen der eigenen Geräte. Hersteller können hierfür von einem bewährten Baukasten aus Firmware und Elektronikkomponenten von Helbling profitieren. Hinzu kommen Expertise in Simulation, Regelungstechnik, Leistungselektronik und Mechanik. In den letzten Jahren wurden so bereits in zahlreichen Fällen gemeinsam optimale Komponenten ausgewählt und massgeschneiderte Baugruppen entwickelt. Die Erfahrung zeigt: Innerhalb von drei Monaten ist es auf diese Weise möglich, einen Prototyp vorzulegen – ein Prozess, der sonst um ein Vielfaches länger ausfällt. Insbesondere aktuelle Tools und Kenntnisse in Bezug auf Simulationen schaffen hier einen entscheidenden Vorteil: Dazu zählt zuvorderst die dynamische Systemsimulation, des Weiteren die Simulation des thermischen Verhaltens und letztlich die Option, eine Magnetfeldsimulation durchzuführen.
Im Fokus stehen bei Helbling nicht nur Produkte aus den Bereichen industrieller Geräte und Werkzeuge, sondern auch Haus-, Büro- und Gastronomiegeräte. Letztlich ist dieses Know-how von grosser Bedeutung für Entwicklungen in der Diagnostik und für Laborsysteme. Wirtschaftlich ist dies bereits ab jährlichen Stückzahlen, die über eine Einzelfertigung hinausgehen. Folgend werden die tragenden Pfeiler des Vorgehens beschrieben.
A) Dynamische Simulation des mechatronischen Systems
Fundament einer optimalen Auslegung ist das tiefe Verständnis für das dynamische Verhalten der Anwendung. Die dynamische Systemsimulation bildet diese ab – von der Energieversorgung (Akkupack oder Netz) über die Elektronik und den Motor bis zum mechanischen Verhalten an der Antriebswelle. Somit wird klar, welcher Energiefluss aus der Quelle in die Anwendung entsteht. Ströme, Spannungen, Kapazität der Energieversorgung, Baugrössen und entstehende Verluste werden geklärt. So lassen sich die passenden Komponenten nach Belastbarkeit und Wärmeverhalten systematisch auswählen.
B) Thermisches Verhalten und EMV
Die enge, anwendungsspezifische Integration von Antriebskomponenten erfordert besonderes Augenmerk auf thermisches Management und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Nach der Komponentenauswahl und einem Anordnungsvorschlag werden Erwärmungsverhalten und EMV mit FEM-Simulation bewertet. Auf dieser Basis folgt die Prototypenfertigung und die Prüfung in Helblings Laborinfrastruktur mit eigenem Motorenprüfplatz und EMV-Labor – wo intensive Tests die Optimierung ermöglichen.
C) Magnetfeldsimulation
Manchmal scheitert die Umsetzung an Standardkomponenten – etwa wenn Spulen, Motoren oder Sensoranordnungen (Hallsensoren) spezifische Anforderungen erfüllen müssen. Für solche Fälle setzt Helbling auf Magnetfeldsimulation zur optimalen Auslegung.
D) Kostengünstige Elektronik
Der Baukasten setzt auf die Verwendung eines Mikrokontrollers der STM32C0- oder STM32G0-Familie und eine Strommessung. Die BLDC-Blockkommutierung erfolgt sensorbasiert (Hallsensor) oder sensorlos; die Spitzenstromregelung wird in Hardware realisiert. Dies entlastet den Prozessor erheblich und ermöglicht den Einsatz schwächerer – und damit kostengünstigerer – Typen. Die so freigelegte Rechenleistung steht für anwendungsspezifische Automatisierungen (State Machines) zur Verfügung. Gleichzeitig ermöglicht die hardwaregestützte Stromregelung dynamische Drehzahl- oder Positionsregelungen auch bei hochfrequenten Lastwechseln.
Die Firmware-Architektur ist modular aufgebaut: Ein Task-Scheduler und flexible Daten-/Parametertabellen ermöglichen die Erweiterung um weitere Sensor- und Steuersignale. Dadurch lässt sich der Antriebsstrang über serielle Befehle problemlos in übergeordnete Automatisierungssysteme integrieren.
E) Anwendungsspezifische Energieversorgung
Je nach Anforderung wird die Energieversorgung netzgebunden mit Leistungswandler oder mittels Akkupacks ausgeführt. Helbling entwickelt anwendungsspezifische Akkupacks inklusive Schutzbeschaltung und Laderegler.
Der skizzierte Antriebsstrang lässt sich in Kombination mit einer beliebigen, gegebenenfalls massgeschneiderten, Energieversorgung optimal und kosteneffizient integrieren. Dies steigert die Erfolgschancen von Kunden, die mechatronische Systeme realisieren möchten, welche engen Randbedingungen folgen und mit Standardkomponenten nicht umzusetzen sind.
Zusammenfassung: Schnelle Entwicklungszeiten, hohe Effizienz und Kompaktheit ermöglichen Marktvorsprung
Elektrische Antriebe müssen für die jeweilige Anwendung des Geräts optimiert sein. Es ist möglich, dass sich Hersteller auf den Kern ihrer Spezialisierung konzentrieren und gleichzeitig hocheffiziente Elektromotoren nutzen, die genau auf ihre Anwendungen abgestimmt sind. Helbling ist mit interdisziplinären Teams darauf vorbereitet, in kurzer Entwicklungszeit passgenaue Lösungen aus einer Hand zu liefern.
Autor: Antonio Castellino
Hauptbild: Helbling
