Kraftübertragung beim Direktantrieb
Ein Direktantrieb (engl. direct drive) verbindet den Motor unmittelbar mit der anzutreibenden Achse – ohne Getriebe, Riemen oder sonstige mechanische Übersetzungsstufe. Drehmoment, Drehzahl und Bewegung werden auf diese Weise direkt übertragen. Motor- und Lastdrehzahl sind dabei grundsätzlich identisch.
Die ILM- und ILM-E-Serien von TQ-RoboDrive können als Direktantrieb verwendet werden, wenn das verfügbare Drehmoment, die Drehzahl und die thermischen Eigenschaften zum Lastprofil der Anwendung passen.
Voraussetzungen für einen Direktantrieb
Der Einsatz eines Motors ohne Getriebe erfordert, dass dieser das erforderliche Abtriebsdrehmoment direkt bereitstellen kann. Für die Auslegung eines solchen Direktantriebs sind deshalb nicht nur einzelne Kennwerte, sondern auch das vollständige Last- und Bewegungsprofil mit folgenden Kennzahlen relevant:
Reicht das Motordrehmoment nicht aus oder führt die erforderliche Motorgröße zu einem nicht akzeptablen Gewicht, kann die Kombination mit einem Getriebe sinnvoller sein. Die Wahl des Antriebskonzepts hängt deshalb immer vom Zusammenspiel der Anforderungen ab.
Technische Auswirkungen eines Direktantriebs
Der wichtigste Vorteil eines Direktantriebs ist, dass getriebebedingtes Spiel und zusätzliche Verluste durch eine Getriebestufe vermieden werden können. Auch weitere Komponenten wie Riemen, Zahneingriffe oder zusätzliche Kupplungen können beim Direktantrieb entfallen, sofern sie im jeweiligen Antriebskonzept nicht benötigt werden.
Motor- und Controllerverluste, Lagerreibung sowie Nachgiebigkeiten der mechanischen Struktur bleiben jedoch bestehen. Die erreichbare Positioniergenauigkeit und Dynamik hängen daher vom Zusammenspiel aus Motor, Lagerung, Encoder, Mechanik, Leistungselektronik, Regelung und Last ab.
Neben diesen mechanischen und regelungstechnischen Faktoren spielt auch die thermische Auslegung eine zentrale Rolle.
Explosionsdarstellung des HPR40 mit Harmonic-Pin-Ring-Getriebe
Thermische Auslegung
Dauer- und Haltemomente sind thermisch anspruchsvoll. Auch bei Drehzahl null entsteht in der Wicklung elektrische Verlustleistung, obwohl keine mechanische Bewegungsleistung abgegeben wird. Diese Wärme muss über den Stator und die Konstruktion abgeführt werden.
Das thermische Verhalten hängt deshalb stark von der Einbausituation ab. Die thermische Anbindung des Stators ist bei der Auslegung ebenso zu berücksichtigen wie Lastzyklus, Umgebungstemperatur und Kühlkonzept.
Ob ein Direktantrieb sinnvoll ist, lässt sich daher nicht allein anhand des benötigten Drehmoments beurteilen. Je nach Anwendung kann auch ein Getriebe oder ein Quasi-Direktantrieb die passendere Lösung sein.
Direktantrieb, QDD oder Getriebe?
Ein Quasi-Direktantrieb (kurz QDD) verbindet einen Motor mit hoher Drehmomentdichte und einem Getriebe niedriger Übersetzung. Auf diese Weise lässt sich das Abtriebsdrehmoment erhöhen, während Dynamik und Rücktreibbarkeit im Vergleich zu stärker übersetzten Getriebekonzepten weitgehend erhalten bleiben.
Im folgenden Überblick werden die drei Konzepte gegenübergestellt:
| Konzept | Übersetzung | Typischer Vorteil | Charakteristische Eigenschaften | Zu berücksichtigen |
|---|---|---|---|---|
| Direktantrieb | 1:1 | Unmittelbare mechanische Kopplung ohne Getriebestufe | Kein getriebebedingtes Spiel und geringere mechanische Komplexität | Motor muss das vollständige Abtriebsdrehmoment selbst liefern |
| Quasi-Direktantrieb (QDD) | Niedrig | Kombiniert hohe Drehmomentdichte mit geringer Untersetzung | Kann hohe Dynamik, gute Backdrivability und kraftgeregelte Bewegungen unterstützen – geeignet für humanoide Robotik | Getriebeverluste, Hysterese und Elastizität bleiben bestehen |
| Antrieb mit Getriebe | Mittel bis hoch | Sehr hohe Ausgangsdrehmomente mit einem kleineren, leichteren und schnelllaufenden Motor | Geringerer motorseitiger Drehmoment- und Strombedarf; je nach Konzept hohe Übersetzungs- und Haltemomente | Reibung, Spiel, Steifigkeit und reflektierte Trägheit des Getriebes beeinflussen das System |
Welches Konzept geeignet ist, hängt insbesondere von Drehmoment, Drehzahl, Dynamik, Bauraum, Gewicht und Regelverhalten der Anwendung ab.
Typische Anwendungen
Direktantriebe werden unter anderem in folgenden Bereichen eingesetzt:
Welche Antriebsarchitektur für eine konkrete Anwendung geeignet ist, muss anhand der technischen und gegebenenfalls regulatorischen Anforderungen bewertet werden.
Bei hoch belasteten Gelenken humanoider Roboter oder Quadrupeds ist dagegen häufig ein QDD-Konzept sinnvoller, da ein reiner Direktantrieb einen zu großen oder schweren Motor erfordern würde.
Ein Direktantrieb (engl. direct drive) verbindet den Motor ohne Getriebe oder andere mechanische Übersetzungsstufen direkt mit der anzutreibenden Achse. Motor- und Lastdrehzahl sind dabei grundsätzlich identisch. Dadurch entfallen getriebebedingtes Spiel und zusätzliche Verluste einer Getriebestufe. Der Motor muss dafür jedoch das benötigte Abtriebsdrehmoment vollständig selbst bereitstellen.
Ein Motor für einen Direktantrieb muss das erforderliche Dauer-, Spitzen- und Haltemoment ohne mechanische Übersetzung bereitstellen können. Zusätzlich müssen Drehzahl, Bauraum, Versorgungsspannung, thermische Anbindung und Lastprofil zur Anwendung passen. Besonders wichtig ist die Wärmeabfuhr, da auch bei hohen Haltemomenten und Drehzahl null elektrische Verlustleistung in der Wicklung entsteht.
Ein Quasi-Direktantrieb kombiniert einen drehmomentstarken Motor mit einem Getriebe niedriger Übersetzung. Gegenüber einem reinen Direktantrieb kann dadurch ein höheres Abtriebsdrehmoment erreicht werden. Gleichzeitig können Dynamik und Rücktreibbarkeit gegenüber stärker übersetzten Getriebeantrieben vergleichsweise hoch bleiben. Die tatsächlichen Eigenschaften hängen jedoch von Motor, Getriebe und mechanischem Aufbau des Gesamtsystems ab.
Ein Direktantrieb kann sinnvoll sein, wenn der Motor das erforderliche Abtriebsdrehmoment direkt bereitstellen kann und Anforderungen wie präzise Regelbarkeit, unmittelbare Kraftübertragung oder die Vermeidung getriebebedingten Spiels wichtig sind. Reicht das Motordrehmoment nicht aus oder würde der Motor zu groß und schwer, kann ein QDD oder ein stärker übersetzter Getriebeantrieb geeigneter sein.
Ein Direktantrieb kommt ohne zusätzliche Getriebestufe aus und kann dadurch getriebebedingtes Spiel, Getriebeverluste und zusätzliche mechanische Übertragungselemente vermeiden. Das kann Vorteile bei Regelverhalten, Wartungsaufwand und mechanischem Aufbau bieten. Motorverluste, Lagerreibung und mechanische Nachgiebigkeit bleiben jedoch bestehen. Deshalb muss immer das vollständige Antriebssystem betrachtet werden.
Bei einem Direktantrieb muss der Motor das benötigte Drehmoment direkt erzeugen. Dadurch können besonders bei hohen Dauer- oder Haltemomenten erhebliche thermische Belastungen entstehen. Auch bei Drehzahl null entsteht elektrische Verlustleistung in der Wicklung. Die Wärmeabfuhr über Stator, Gehäuse und Kühlkonzept ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil der Auslegung eines Direktantriebs.
