Die meisten Datenblätter von elektrischen Antrieben geben lediglich die Kennwerte für Drehmoment und Drehzahl, die elektrischen Anschlussgrößen und den sogenannten Nennpunkt an. Meist wird auch der maximal erreichbare Wirkungsgrad der möglichen Drehmomententwicklung über dem verfügbaren Drehzahlbereich aufgeführt. Dies ist für einfache Antriebsaufgaben wie das Design von konstant laufenden Antrieben ausreichend. Bei anspruchsvolleren Aufgaben führt es jedoch zu erheblichen Problemen, wenn Gewicht, Bauraum und thermisches Verhalten eingeschränkt sind oder hohe Güte in der dynamischen Regelung gefordert ist.
Eine derartige Anwendung ist der Entwurf hochintegrierter mechatronischer Achsantriebe von Robotern. Vor diesem Hintergrund wurde von den Entwicklern systematisch nach neuen Lösungen gesucht, ein maximales Drehmoment bei minimalem Gewicht und minimaler Verlustleistung (Erwärmung) zu erreichen. Gerade in Anwendungen wie der Robotik müssen derartige Motoren in raschem Zyklus unter hoher Last immer wieder stoppen oder reversieren und durchfahren dabei immer wieder den Bereich um die Drehzahl Null. Hierbei wird wenig mechanische Leistung von der Maschine abgegeben, diese aber durch die in den Wicklungen fließenden Ströme thermisch extrem belastet.
Durch Optimierung aller relevanten Motorparameter unter Berücksichtigung des geforderten Lastprofils (Concurrent Engineering) gelang es den Forschern am Institut für Robotik und Mechatronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) die neue Motortechnologie „RoboDrive“ zu entwickeln. Diese vereint hohe Drehmomententwicklung und Leistungsdichte bezogen auf Gewicht und Bauraum. Auch Größen wie Gleichlauf, Dynamik und thermische Anbindung sind an den besonders hohen Anforderungen der Robotik ausgerichtet. Die Antriebe werden seit 2006 vom Elektronikdienstleister TQ-Group produziert. Der TQ-Bereich Antriebstechnik stellt mithilfe der RoboDrive-Technologie den Anwendern einen breiten Lösungsbaukasten und spezifisches Know-how zur Lösung der Integrationsaufgabe zur Verfügung.
Bei der Systemintegration werden - ausgehend von Lastangaben, Bauraum-Skizzen und Einsatzprofilen des Kunden - alle relevanten Größen ermittelt. Dabei spielen häufig Betriebspunkte wie Halten unter Last oder hohe Verfahrgeschwindigkeiten im Leerlauf eine dominierende Rolle. Eine Aussage über eine pauschale Wirkungsgradangabe ist nicht relevant, da nahezu keine mechanische Leistung in die Anwendung abgegeben wird, der Wirkungsgrad also nahezu null ist. Sehr wohl gilt es aber, alle anfallenden Verluste der elektrischen Maschine innerhalb zulässiger Temperaturniveaus abzuführen. Oft müssen die thermischen Randbedingungen der Anlage und Umgebung vorab geklärt werden, dann kann erst durch eine ausführliche Beratung die optimale Einbauweise gemeinsam festgelegt werden. Der Begriff „Embedded Drive“ beschreibt dabei die entstehende enge Verbindung zwischen dem Gesamtsystem und der Antriebskomponente.
Neben der Robotik profitieren vielfältige weitere Anwendungen von den Eigenschaften dieser Technologie: In Positionieraufgaben, bei denen der Gesamtwirkungsgrad stets null ist, werden kürzere Zykluszeiten bei niedrigeren Wicklungstemperaturen erzielt. Bei einer steigenden Zahl netzunabhängiger Anwendungen verlängern sich Akku-Einsatzzeiten durch minimierte Verluste der Motoren. Im Automotive-Bereich können kompaktere Elektroantriebe vielfältige Aufgaben übernehmen. In der Halbleiter-Industrie und in optischen Anwendungen ermöglichen hochpräzise Regelungen aufgrund der optimierten Bandbreite Genauigkeiten im Bereich unter einem tausendstel Grad. Im medizinischen Anwendungsfall werden kleinste Instrumente elektrisch angetrieben und bei Implantaten niedrigere, körperverträgliche Temperaturen erreicht. In Werkzeugmaschinen werden auf engstem Bauraum Leistungsdichten erzeugt, für die bisher hydraulische Antriebe notwendig waren.
Unabhängig vom Anwendungsfall sichert die Optimierung und Integration der Antriebsaufgabe im System mit einem RoboDrive-Antrieb oft den entscheidenden Vorteil des Endprodukts.
