Innenbelüftete Drehstromservomotoren bieten höhere Leistungsdichte

Direkt axial gekühlte Wicklung

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Können die Vorteile der Drehstrom- und der Gleichstromtechnik in einem Motor zusammengeführt werden? Das Entwicklungsergebnis ist die hier vorgestellte Motorreihe. Die Mehrkosten für den Einsatz der AC-Antriebstechnik werden in dem erwähnten Anwendungsfall kompensiert durch die Kostenreduzierung in der Gesamt-anlage .

Der Autor Herbert Pankow ist Leiter der Motorenkonstruktion und der Motorenproduk-tion im Hause Lenze GmbH & Co.KG, Hameln, am Standort Groß Berkel

Der Motor
Diese innenbelüfteten, quadratischen Drehstromservomotoren der Motorreihe MDFQA von Lenze werden in der Schutzart IP23 ausgeführt. Die Kühlluft wird im Inneren des Motors durch axial verlaufende Kühlluftkanäle geleitet. Die Motorwicklung ist bei diesem Motorkonzept direkt luftgekühlt. Gegenüber den konventionell oberflächengekühlten Drehstrommotoren in der Schutzart IP55 lassen sich durch die geringeren Wärme-übergangswiderstände wesentlich höhere Verlustwärmen abführen.
Zusatzverluste, wie sie beim Betrieb mit Umrichtern entstehen, werden durch eine optimierte Auslegung des magnetischen Kreises (Blechschnitt, Motorwicklung etc.) minimiert. Es entstehen Motoren höchster Leistungsdichte. Die Auslegung und das Design der Motoren werden außerdem maßgeblich durch die Forderung nach einem hochdynamischen trägheitsmomentarmen Antrieb bestimmt.
Motoren höchster Leistungsdichte
Das Diagramm zur Leistungsdichte zeigt einen Vergleich zwischen den oberfächengekühlten AC-Motoren in der Schutzart IP55 und der innenbelüfteten Motorenreihe MDFQA.
Die Effizienz durch die direkte Kühlung der Motorwicklung steigt mit der Motorbaugröße an.
Motoren höchster Dynamik
Im zweiten Diagramm zur Dynamik ist das Verhältnis von Motorträgheitsmoment zum Motorbemessungsdrehmoment dargestellt. Das Verhältnis M/J ist ein Maß für die Beschleunigungsfähigkeit des Antriebes. Der Motor der Reihe MDFQA ist um den Faktor 3 bis 4 dynamischer als ein Normmotor vergleichbarer Leistung. Vektorgeregelt in Kombination mit einem Servoregler der Reihe 9300 lassen sich Maximaldrehmomente bis zu 5 ? Mn erzielen.
Die Motoren im Global Drive-Antriebssystems
Die Motorenreihe MDFQA ist systemoptimiert auf die anderen Bausteine des Global Drive Systems abgestimmt worden. In Kombination mit dem Servo-Umrichter 9300 und der Umrichterreihe 8220 ergeben sich die unterschiedlichsten Einsatzbereiche, in denen die volle Funktionalität des Antriebssystemes zum Tragen kommt. Die Baugrößen 100 bei 132 decken einen Leistungsbereich von 10,6 bis 60,1 kW ab.
Die Stern/Dreieckschaltung ermöglicht eine Anpassung des Eckpunktes für die jeweilige Applikation bzw. die Reduzierung der benötigten Umrichterleistung für kleinere Drehzahlen. Der Isolationsaufbau ist umrichtergeeignet und besitzt eine hohe Temperaturreserve. Die Motorwicklung wird durch einen kontinunierlichen Temperatursensor überwacht. Die direkte Messung der Wicklungstemperatur ermöglicht in Kombination mit dem Servo-regler der Reihe 9300 eine Nachführung der im Gerät abgelegten Motorparameter. Dieses Servoantriebssystem erreicht somit hervorragende Laufeigenschaften in einen großen Drehzahl-Drehmomentenstellbereich.
Die Motoren können ohne Drehzahleinführung oder je nach Anforderung an die Genauigkeit mit Resolver, Inkrementalgeber oder sin-cos-Geber ausgeführt werden.
Anwendungsbeispiel Querschneider
Die Vorteile dieser hochdynamischen kompakten Motoren kann an dem Anwendungsbeispiel Querschneider verdeutlicht werden. Die prinzipielle Anordnung eines Querschneiders ist in der Abbildung zu sehen.
Zwei rotierende Walzen tragen zum Schneiden des Materials (Papier, Pappe o.ä.) über ihre gesamte Länge Messer, die quer zum Materialfluß stehen. Die Walzen werden während des Schneidevorganges zum zu schneidenden Material hin synchronisiert. In der alten Konfiguration wurden die beiden Walzen durch einen 100 kW DC-Motor angetrieben (Links in der Schemadarstellung).
Der Kunde formulierte die folgenden neuen Prozeßanforderungen:
n Die Materialgeschwindigkeit sollte 300 m/min auf 400 m/min gesteigert werden. Das bedeutet, daß bei Beibehaltung der Materialbogenlänge, der Ausstoß der gesamten Maschine um über 30% zu steigern war
n Die Netzbelastung bei Pulsbetrieb des Querschneiders war zu reduzieren
Daraus ergaben sichfolgende Anforderungen an den Antrieb:
n Erhöhung der Dynamik mit kürzeren Beschleunigungszeiten durch Reduzierung des Massenträgheitsmomentes des gesamten Antriebes (Motor, Walzen, mechanische Verbindungselemente etc.)
n Kompakte Bauweise: Die Achshöhe der Antriebe war durch den Walzenabstand vorgegeben
Die Lösung für den Anwender konnte wie folgt angeboten werden:
n Der bisherige zentrale 100kW DC-Antrieb wurde durch zwei direkt angebaute AC-Motoren des Typs MDFQA 132 ersetzt
n Die Synchronisierung des Antriebes erfolgte über die Ansteuerung durch zwei Global-Drive Servoumrichter der Reihe 9300
n Durch die direkt angebauten AC-Antriebe konnte ein Teil der bisher eingesetzten Zahnräder zur Kraftübermittlung entfallen
n Die im Querschneider verbleibenden Zahnräder haben ausschließlich eine Führungsfunktion. Mit den realisierten zwei Eintriebsstellen und der elektrischen Synchronisierung der Walzen konnten Massen und Trägheitsmomente wesentlich reduziert werden
n Das Einleiten des Drehmomentes an zwei Stellen reduzierte die Torsion der Schnittwalzen und erhöhte damit die Schnittqualitä.
Mit der eingesetzten AC-Technik konnte durch die Kondensatorpufferung im Zwischenkreis die Netzbelastung im Impulsbetrieb wesentlich reduziert werden.
Die Anlage kann somit unabhängig von den Ortsnetzen eingesetzt werden.
Die gesamte Antriebsleistung konnte um 30% von 100 kW auf 70 kW reduziert werden, bei gleichzeitiger Erhöhung der Produktionsleistung um über 30%
Einsatzbereiche und Branchen
Der Global Drive liefert mit den innenbelüfteten Drehstrommotoren Lösungen dort, wo der Trend von der DC Technik zur AC-Technik geht. Weiterhin können Antriebsaufgaben gelöst werden, für die der Drehstrom-Normmotor nicht geeignet ist.
Mögliche Einsatzbereiche :
n Extruderantriebe in der kunststoffverarbeitenden Industrie
n Fahr- und Hubantriebe, wo der Vorteil des geringen Leistungsgewichtes in Kombination mit der geringen Motorträgheit voll zum Tragen kommt
n Kompressorantriebe
n Druckmaschinen
n Maschinen zur Positionierung und Synchronisierung in der Verpackungsindustrie
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