Antrieb und Lagerung von hochtourigen Systemen eröffnen neue Einsatzmöglichkeiten

Schwerstarbeit erleichtert

Anzeige
Durch die Kombination von berührungslosen Magnetlagern mit speziellen Synchronmotoren und HF-Antriebsreglern lassen sich kompakte Antriebseinheiten realisieren, die sich selbst bei höchsten Drehzahlen durch geringe Verluste auszeichnen. Für elektronische Hochgeschwindigkeitsantriebe eröffnen sich somit völlig neue Einsatzmöglichkeiten.

Bei den elektrischen Antrieben besteht zunehmend die Notwendigkeit der Leistungssteigerung. Gleichzeitig wird eine weitere Miniaturisierung und Senkung der Verluste bei den verwendeten Komponenten gefordert. Insbesondere in Anwendungsbereichen wie Bearbeitungsspindeln, Gebläsen, Kompressoren und Verdichtern geht die Forderung zu höchsten Leistungsdichten und Drehzahlen. Dies stellt an die zu verwendende Antriebs- und Lagerungstechnik höchste Anforderungen. Gemäß der Beziehung:

P= M*n*60
2
bei der P die mechanische Leistung an der Welle in W, M das Drehmoment in Nm und n die Drehzahl in min-1 ist, lässt sich die Leistung durch Drehmomenterhöhung bzw. durch Drehzahlsteigerung vergrößern. Eine Erhöhung des Drehmomentes hat bei gleicher Motorbauart eine oftmals ungewünschte Vergrößerung des Volumens zur Folge. Gleichzeitig gilt es, den Wirkungsgrad zu verbessern, wobei eine Optimierung des Gesamtsystems erfolgen muss. Bei Gebläsen und Verdichtern lassen sich durch Drehzahlsteigerung das Bauvolumen deutlich verringern und der Wirkungsgrad steigern.
Im Bereich der Materialbearbeitung (HSC, HSD, HSG) ermöglichen hohe Spindeldrehzahlen hohe Schnittgeschwindigkeiten und damit hohe Spanvolumen je Zeiteinheit. Durch die Steigerung der Drehzahl verkürzt sich nicht nur die Bearbeitungszeit, gleichzeitig werden die Präzision erhöht und die Oberflächenqualität verbessert, was besonders im Werkzeug- und Formenbau von Interesse ist.
Bei so vielen Vorteilen in der Anwendung besteht die Forderung nach der entsprechenden Leistungsfähigkeit des verwendeten Antriebssystems. Asynchronmotoren, die durch Frequenzumrichter gesteuert oder geregelt werden, sind Stand der Technik und in den genannten Einsatzgebieten bestens etabliert. Einfache Montage, Robustheit, günstiger Preis sowie die gute Möglichkeit der Feldschwächung über einen weiten Bereich charakterisieren den Asynchronantrieb. Eine zunehmende Alternative dazu stellen Synchronantriebe dar, die sich durch hohe Leistungsdichten und Wirkungsgrade, auch im Teillastbereich, auszeichnen. Dadurch sind bis zu 70 % Volumenreduktion gegenüber einem Asychronmotor möglich. Weitere Vorteile des Synchronmotors sind die geringen Rotorverluste und das volle Drehmoment ab Drehzahl „Null“ sowie die hohe Beschleunigungsleistung. Eine wesentliche Möglichkeit der Leistungsoptimierung bietet die Erhöhung der Motorpolzahl. Den Zusammenhang von Drehfeldfrequenz, mechanischer Drehzahl und Anzahl der Pole eines Motors, verdeutlicht die folgende Gleichung:
n= f*60
P
Wobei n die Drehzahl in min-1, f die Drehfeldfrequenz in Hz und p die Anzahl der Polpaare darstellt. Vergleichsuntersuchungen an einem Synchronmotor vom Typ DCM 60/32 der Firma Levitec ergaben, bei einer Drehzahl von 30 000 min-1, nahezu eine Leistungsverdoppelung eines 4-poligen Motors gegenüber einem 2-poligen Motor. Die Wickelköpfe des 4-poligen Systems sind ca. 60 % kürzer, was sich in geringeren Kupferverlusten wiederspiegelt. Die im Stator entstehende Verlustwärme (Kupfer- und Eisenverluste) muss durch eine entsprechend forcierte Kühlung (Luft- oder Wasserkühlung) abgeführt werden. Schwieriger gestaltet sich das Thema der Rotorerwärmung, da eine direkte Kühlung des Rotors mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Ziel muss es daher sein, die Verluste im Rotor zu minimieren. Wesentlich bestimmend für die Rotorerwärmung eines PM-Synchronmotors sind die Oberwellen des Statorstromes. Je stärker die Statorströme von der idealen Sinusform abweichen, desto stärker erwärmt sich der Rotor. Aus diesem Grunde ist eine Bestromung mit sinusförmigem Strom unerlässlich.
Antriebsregler
Da Hochgeschwindigkeitsmotoren eine äußerst geringe Induktivität besitzen, trägt diese nur wenig zur Stromglättung bei, so dass auf eine andere Möglichkeit zurückgegriffen werden muss. Dies kann z. B. durch die Verwendung eines Sinusfilters oder einer Motordrossel geschehen, die zwischen Antriebsregler und Motor geschaltet werden. Nachteilig wirken sich die dadurch entstehenden Verluste und die Einschränkung der Dynamik aus. Mit dem Sinus 4000 bietet der Hersteller einen Antriebsregler, der speziell für die Anforderung von hochtourigen Antrieben konzipiert wurde. In diesem Antriebsregler sind die Vorteile von PAM- und PWM-Technik vereint, so dass die vom Regler bereitgestellten Ströme schon stark der Sinusform angenähert sind. Der Sinus 4000 erlaubt Ausgangsfrequenzen bis zu 4000 Hz, so dass auch höher polige Motoren mit hohen Drehzahlen betrieben werden können. Die Taktung der Endstufe erfolgt mit 64 kHz. Die Notwendigkeit des Einsatzes eines dann sehr klein bauenden Sinusfilters besteht bei diesem Antriebsregler nur noch in sehr wenigen Fällen.
Magnetlager
Da die Lager in hochtourigen Antrieben besonderen Beanspruchungen ausgesetzt sind und klassische Kugel- und Wälzlager oftmals an ihre Grenzen stoßen, stellt sich die Frage nach einer Alternative. Die seit vielen Jahren bekannte Magnetlagertechnik findet heutzutage eine zunehmende Verbreitung im industriellen Bereich. Aufgrund der fehlenden Reibung eignet sich diese Lagertechnik besonders für hohe Drehzahlen und bietet darüber hinaus den Vorteil der Wartungs- und Verschleißfreiheit. Die Lagereigenschaften (Steifigkeit und Dämpfung) sind dabei veränderbar und lassen somit eine Anpassung an die Erfordernisse des technologischen Prozesses zu. Die vorhanden Lage- und Kraftinformationen in jeder Lagerstelle ermöglichen eine kontinuierliche Prozessüberwachung.
Damit stehen zusätzlich zu den vom Motor bereitgestellten Werten, wie Drehzahl, Drehmoment und Temperatur, auch Aussagen über Bearbeitungskräfte, Vibrationen und unnormale Prozesszustände, wie z. B. Crash, Verschleiß und Unwucht zur Verfügung. Diese müssten sonst durch ein zusätzliches Mess- und Diagnosesystem bereitgestellt werden.
Durch eine bewusste Verschiebung der Welle innerhalb des Luftspaltes in radialer oder axialer Richtung ergeben sich weitere Vorteile der Magnetlagertechnik. So lassen sich Vibrationen dämpfen, Dichtspalte verändern, Werkzeugverschleiß kompensieren und die Unrundbearbeitung ermöglichen.
Die Magnetlager gibt es in verschiedenen Baugrößen, die einem Baukastensystem entsprechen, dazu Sensorik und digitale Regelelektronik in Standardausführung und verschiedenen Leistungsklassen. Abgerundet wird das Programm durch professionelles Engineering und Projektmanagement.
Weitere Informationen
High Speed Motoren
KEM 487
High Speed Antriebsregler
KEM 488
Magnetlager
KEM 489
Anzeige

Emerson: Pneumatik 4.0

Smartenance

Pneumatik 4.0 bei Emerson im Überblick

Video aktuell

Step into the state-of-the-art Samsung Audio Lab to see how they develop loudspeakers, soundbars, and other audio products using multiphysics simulation.

Aktuelle Ausgabe

Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Top-Thema Spannvorrichtungen

Spannvorrichtungen

Alles über Spannvorrichtungen und welches Einsparungspotenzial sie bieten

Top-Thema Schaltschränke

Alle Infos über den Schaltschrankbau mit seinen Komponenten, Geräten und deren Verdrahtung

Kalender

Aktuelle Termine für Konstrukteure

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de