Drehgeber-Komplettlösungen für die Antriebstechnik

Für jedes Rezept die richtige Zutat

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Die Anwendungsbereiche elektrischer Antriebe sind vielfältig und anspruchsvoll. Für die Sensorik resultieren daraus ganz besondere Herausforderungen. Worauf aber müssen Anwender achten, um dem gerecht zu werden? Welche neuen Technologien gibt es? Welche Kniffe liefern im jeweiligen Umfeld das optimale Ergebnis? Antworten darauf sowie einen Überblick über Trends wie zunehmende Kompaktheit, höhere Leistungsanforderungen sowie die neuesten Bestimmungen und Anforderungen an die Sicherheit gibt der folgende Beitrag.

Drehgeber zum Anbau an Antrieben sind besonders starken mechanischen Belastungen ausgesetzt. Damit ihre Funktion dennoch unbeeinträchtigt bleibt, ist auf äußerst stabile Lagerbaugruppen und Gehäuse zu achten. Deshalb verfügen „Sendix“- Drehgeber über eine Lagerbaugruppe im „Safety-Lock“-Design: Besonders große Doppelkugellager werden zusätzlich mechanisch verblockt. Die Lagerbaugruppe wurde so konzipiert, dass der Abstand zwischen den zwei Lagern maximal groß wird und ein extra starkes Außenlager eingebaut werden kann. So sind selbst höchste Belastungen kein Problem.

Das stabile, dickwandige Druckgussgehäuse der Sendix-Geber wird mit dem Flansch mehrfach verstemmt. Überall, wo ihr Deckel direkt außen liegt und somit potenziellen Schlägen ausgesetzt ist, aber auch bei extremen Vibrationen und Schocks empfiehlt sich die noch robustere Variante mit Kerbnagel-Fixierung. Die hohe Schutzart IP67 sowie ein Temperatureinsatzbereich von -40° bis +90 °C erlauben einen problemlosen Außeneinsatz. Genauso hart im Nehmen ist die Anschlusstechnik: Am Druckgussgehäuse befindet sich ein stabiler Sockel, an dem der Steckerflansch mit vier Schrauben fixiert wird.
Technologien für enge Verhältnisse
Mindestens genau so wichtig wie Lagerbaugruppe und Gehäuse sind Montage und Fixierung: Die richtige Technik ist nicht nur Garant für die Genauigkeit des Drehgebers, sondern auch für eine lange Lebenszeit.
Bei Wellendrehgebern ist auf hochwertige Kupplungen zu achten, denn diese korrigieren den Winkelfehler zwischen Antrieb und Geber. Fluchtungsfehler, die zu erheblichen Lagerbelastungen bis hin zum vorzeitigen Ausfall von Drehgebern führen können, lassen sich also von Anfang an vermeiden. Für „normale“ Anwendungen empfiehlt sich eine wirtschaftliche Balgkupplung, für hohe Geschwindigkeiten eine Federscheibenkupplung.
Bei knapp bemessenem Installationsraum sind Hohlwellen-Drehgeber die richtige Wahl. Hierbei ist der Einsatz der richtigen Fixierelemente und Kupplungen entscheidend für Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Zudem verhindert eine exakt auf die jeweilige Anwendung abgestimmte Montage Installationsfehler und verkürzt gleichzeitig die Installationszeit erheblich. Deshalb bietet Kübler unterschiedlichste Fixierelemente und Statorkupplungen, hinter denen jahrzehntelange Erfahrung steckt.
Gerade bei Getriebemotoren ist eine optimale Integration „unter der Lüfterhaube“ eine große Herausforderung. Hierfür entwickelte Kübler ein spezielles Gehäuse mit tangentialem Kabelabgang, um den Geber innerhalb eines möglichst kleinen Teilkreises installieren zu können.
Am wichtigsten ist jedoch eine intelligente Integrationslösung, damit das Gerät auch richtig eingebaut wird. Um den Drehgeber in dem sehr engen Raum innerhalb des Getriebemotorgehäuses unterzubringen und korrekt zu fixieren, gibt es exakt abgestimmte Befestigungs-Sets (welche zum Beispiel direkt das Lüftungsgitter als Haltpunkt verwenden können), eigens entwickelte kompakte M23-Winkelstecker oder M12-Stecker, die sich direkt am Motorgehäuse befinden und nicht wie üblich am Drehgebergehäuse. Solche Lösungen sparen nicht nur Geld, weil kein zusätzliches Gehäuse nötig ist, sondern auch Zeit, weil nicht erst das Gehäuse des Motors entfernt werden muss, um den Drehgeber überhaupt anschließen zu können. Gleichzeitig wird die Qualität der Motorleistung erhöht, weil die richtige Fixierung und der optimale Schutz des Drehgebers sicherstellen, dass keine äußeren Einflüsse seine Funktionstüchtigkeit beeinträchtigen.
Für hochgenaue Direktkopplungen, wie sie bei Direktantrieben benötigt werden, bietet Kübler Drehgeber mit Konuswellen an sowie auch Konuswellen-Montagekits zur einfachen Nachrüstung von Standard-Hohlwellengebern.
Noch robuster: Für die Schwerindustrie oder die raue See
Besonders bei großen Antrieben wie Asynchronmotoren/AC-Vektormotoren werden so genannte Heavy Duty-Drehgeber eingesetzt. Bisher gängige Geräte bauen meist sehr tief und sind teuer. Sie genügen zwar allen nur erdenklichen Extremanwendungen; in der Praxis aber erfordern viele Applikationen im Krananlagenbau, an Antrieben in der Stahlindustrie oder im allgemeinen Schwermaschinenbau Heavy Duty-Drehgeber, die einen vernünftigen Kompromiss zwischen Anschaffungskosten und Leistung bilden. Deshalb setzen viele Anwender Standard-Drehgeber mit großer Hohlwelle ein – jedoch mit fragwürdigem Erfolg. Denn hohen Lagerbelastungen, Schocks und hohen Drehzahlen sind solche Produkte nicht gewachsen; die Ausfallquote ist unakzeptabel hoch.
Küblers Drehgeber A02H lösen diese Probleme. Ihre Bautiefe ist bis zu dreimal geringer als die herkömmlicher Heavy Duty-Geräte, wobei sie um Potenzen robuster sind als Standard-Hohlwellengeber. Der Anwender vermeidet damit teure Ein- oder Anbaukonstruktionen an Antrieben oder hohe Ausfälle. Mit einer Hohlwelle bis zu 42 mm Durchmesser und einer Bautiefe von nur maximal 50 mm decken die Geber viele Anwendungen ab.
Herzstück ist ein ausgeklügelter mechanischer Aufbau, der eine axiale Verschiebung der Hohlwelle auf Grund starker axialer Schläge vermeidet. Damit werden 90 % der heutigen Drehgeberausfälle eliminiert. Die hochwertige Edelstahl-Naben-Wellenbefestigung ist ausge- wuchtet und unterstützt Dauerdrehzahlen bis 6000 min-1.
Besonders für Anwendungen in Küstennähe oder im Offshore-Bereich empfehlen sich „Sendix“- Drehgeber in Seewasser resistenter Ausführung. Die Geräte sind nach IEC 68-2-11 zertifiziert auf Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Salzsprüheinwirkung für die Dauer von bis zu 672 h – der höchsten Teststufe. Gehäuse und Flansch der Atex-Ausführung bestehen sogar serienmäßig aus seewasserfestem Aluminium.
Gegen zerstörerische Lagerströme
Drehgeber können sehr sensibel auf Lagerströme reagieren. Besonders gefährdet sind Geber in großen Antrieben wie sie beispielsweise in Rühr- und Mahlwerken oder Folienproduktionsanlagen zum Einsatz kommen. Die hier auftretenden Lagerströme können die Drehgeber nachhaltig beschädigen. Der über die Wälzlagerkörper laufende Stromfluss führt zur allmählichen Zerstörung der Lagerlaufbahnen von Motor oder Geber.
Um dem entgegenzuwirken, entwickelte Kübler einen Isoliereinsatz, der Geber- und Motorwelle galvanisch trennt und den Stromfluss über die Motor- und Drehgeberlager unterbindet. Für ein optimales Ergebnis muss jedoch zudem die Drehmomentstütze isoliert sein. Deshalb konzipierte Kübler speziell darauf abgestimmte, isolierte Drehmomentstützen. So verlängern die Wartungsintervalle und die Lebensdauer der Motore. Isoliereinsätze sind für die großen Hohlwellen-Drehgeber A02H für bis 31,75 mm Wellen sowie für die kompakten Sendix 5020- Hohlwellengeber für Wellen bis 12,7 mm erhältlich.
Störfaktor Magnetbremsen
Viele elektrische Antriebe arbeiten mit Magnetbremsen. Diese emittieren besonders starke Magnetfelder, welche elektronische Sensoren und die Kommunikation empfindlich stören können. Neben einem sehr guten Schirmungskonzept (geschirmte Leitungen, leitendes Gehäusematerial) empfiehlt sich hier grundsätzlich der Einsatz einer gegenüber Magnetfeldern unempfindlichen, hochgenauen optischen Technologie. Deshalb bietet Kübler zum einen eine breite Palette optischer Inkremental-Drehgeber (vom Miniaturdrehgeber im 24 mm-Format bis zum großen Hohlwellendrehgeber im 100 mm-Format), zum anderen absolute Multiturns, die auf optischer Technologie basieren.
Die absoluten Multiturn-Drehgeber der Serie Sendix 58 basieren auf hoch integrierter Optoasic-Technologie in Kombination mit einem mechanischen Getriebe. Die verschleißarme Getriebetechnologie ermöglicht eine durchgehende Hohlwelle von 14 mm bei einer Baugröße von nur 58 mm sowie Drehzahlen bis 9000 min-1 bei einem weiten Temperaturbereich.
Jedoch erfordern immer kompaktere Antriebe neben der klassischen mechanischen Multiturn-Stufe eine neue Technologie, die sowohl hohe Robustheit als auch hohe Kompaktheit ermöglicht. Die Familie Sendix F36 schafft diese „kompakte Revolution“ mit einem absoluten Multiturn-Drehgeber von nur 36 mm Baugröße, der trotzdem über eine durchgehende Hohlwelle von 8 mm verfügt. Kernstück ist eine neuartige elektronische Multiturnstufe, wobei es erstmals gelang – dank eines neuen Scanning Verfahrens – eine Multiturnstufe direkt in ein Optoasic zu integrieren.
Wenn’s besonders eng zugeht: die Lösung mit dem Ring
Was tun, wenn selbst für Mini-Geber kein Platz ist, da der zur Verfügung stehende Einbauraum keine 20 mm groß ist? Welches inkrementale rotative Messsystem passt hier noch rein? Die Magnetringe RI50 in Kombina- tion mit einem „Limes“- Sensorkopf lösen das Problem. Mit einer Einbautiefe von nur 16 mm lässt sich dieses lagerlose inkrementale rotative Messsystem so gut wie überall unterbringen. Dabei bedeutet geringe Größe bei weitem nicht geringe Sicherheit und Leistung: Das System zeichnet sich dank berührungsloser Sensortechnologie durch besonders hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit aus. Die absolute Verschleißfreiheit gewährt eine lange Lebensdauer und sichere, dauerhafte Funktion. Das stabile Gehäuse und die hohe Schutzart IP67 erlauben den Einsatz auch in rauer Industrieumgebung, denn gegen Verschmutzungen wie Staub oder Flüssigkeiten ist die Kombination völlig unempfindlich.
Das Messsystem ermöglicht Auflösungen bis 3600 Impulse pro Umdrehung und bietet Gegentakt- oder RS 422-Schnittstellen. Installiert wird es einfach und schnell durch Einschieben des Ringes über die Welle, Verschrauben und Platzieren des Lesekopfs. Für die Distanz zwischen Lesekopf und Ring besteht eine Toleranz bis 1 mm und ein maximaler seitlicher Versatz von ±1 mm.
Sicherheit für die neue Maschinenrichtlinie
Sicherheit ist – nicht zuletzt seit der EU-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG – „integraler Bestandteil der Anlagenkonstruktion“. Bei der Wahl des richtigen Drehgebers gilt folgender Grundsatz: Funktionale Sicherheit wird durch das intelligente Zusammenspiel von Drehgeber, Steuerung und Aktuator erreicht. Sowohl die Sendix SSI-Absolut-Drehgeber mit zusätzlichem Sin/Cos-Inkrementalausgang als auch Inkremental-Drehgeber in Sin/Cos-Ausführung sind SIL3/Ple-zertifiziert verfügbar. Für eine sichere Funktion in der jeweiligen Anwendung ist eine hundertprozentig zuverlässige mechanische Verbindung dringend erforderlich. Der Einsatz entsprechend dimensionierter Anbauelemente sorgt für einen fehlerfreien Ablauf. Die wirtschaftliche SIL3/PLe-Lösung für die Antriebstechnik sind Absolutwertdrehgeber mit inkrementalen Sinus-Cosinus-Signalen, Multiturnstufe und integrierter funktionaler Sicherheit.
Die Antriebsregelung mit inkrementellen Sinus- und Cosinussignalen ist eine bewährte Technologie mit zahlreichen Vorteilen. Die hohe Interpolierbarkeit der analogen Sinus- und Cosinus-Signale mit mehr als 1 Mio. Schritten pro Umdrehung ermöglicht eine präzise Regelung von sowohl langsam drehenden als auch hochdynamischen Antrieben. Kombiniert mit der hochauflösenden und sehr genauen Positionsinformation durch die optische Absolutgeber-Sensorik stehen alle für einen präzise geregelten Motoranlauf benötigten Informationen mit einem einzigen Drehgeber zur Verfügung. Die Multiturn–Sensorik ermöglicht zudem Positionsregelungen in einem weiten Bereich. Und schließlich bildet der hohe und voneinander unabhängige Informationsgehalt aller Signale die Grundlage für einen Sensor mit hoher funktionaler Sicherheit.
Online-Info

MTTFd-Werte
Im Hinblick auf die Anforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG werden auch MTTFd-Werte für die wichtigsten Standard-Drehgeber von Kübler bereitgestellt. Damit kann der Anwender eigene Berechnungen entsprechend DIN EN 61800-5-2 und DIN EN ISO 13849 durchführen.
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