Intelligente Antriebssysteme bauen kompakt und sind direkt integrierbar
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Intelligente Antriebssysteme bauen kompakt und sind direkt integrierbar

Antriebssysteme
Intelligente und modulare Antriebssysteme von EBM-Papst

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Welche Rolle Antriebssysteme als dezentrale und energieeffiziente Einheiten einnehmen und was industrielle Antriebstechnik von EBM-Papst bereits heute im Sinne digitaler Transformation ermöglicht, erläutert Johannes Moosmann, Geschäftsbereichsleiter Industrielle Antriebstechnik bei EBM-Papst in St. Georgen, im Interview mit KEM Konstruktion.

Interview: Nico Schröder und Johannes Gillar, Redaktion KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Herr Moosmann, welche antriebstechnischen Lösungen entwickeln Sie am Standort St. Georgen?

Johannes Moosmann: Wir kümmern uns um individu-elle Antriebslösungen basierend auf einem modularen System für den professionellen industriellen Bereich – und dies abgegrenzt von automobil- und lufttechnischen Anwendungen. Unser Schwerpunkt liegt in Antrieben in Schutzkleinspannung, wobei wir uns aktuell im Leistungsbereich zwischen 10 und 750 Watt bewegen.

Die Antriebstechnik bei EBM-Papst verteilt sich auf zwei Standorte in Deutschland. In St. Georgen im Schwarzwald liegen die Kompetenzen im Bereich Motorentechnik und entsprechender Elektronikentwicklung. Der Standort Lauf nahe Nürnberg ist die ehemalige Firma Zeitlauf, die 2013 akquiriert wurde – sie steht für Getriebelösungen innerhalb der industriellen Antriebstechnik.

KEM Konstruktion: Welche Produktfeatures industrieller Antriebstechnik werden im Sinne digitaler Transformation wichtig?

Moosmann: EBM-Papst integriert bereits viel Hard- und Software direkt in seine Antriebssysteme. Funktionen wie die Erfassung der Rotorlage, das Ansteuern einer Bremse sowie das Steuern und Regeln des Motors sind bereits direkt im Motorgehäuse integriert. Was wir auch anbieten können, ist die Nutzung der vorhandenen Daten. Über digitale I/Os oder Bussysteme wird der Motor als messendes System genutzt. Das erfolgt stets in Zusammenarbeit mit dem Kunden. Damit können wir die Grundlage für Condition Monitoring und Predictive Maintenance bieten. Ein Beispiel: Steigt der Strombedarf im Antrieb, ist dies ein Hinweis, dass ein höheres Drehmoment innerhalb der Applikation benötigt wird. Die Ursache hierfür kann im Antrieb oder in der Mechanik der Applikation liegen, beispielsweise durch eine höhere Reibung aufgrund von Verschleiß einer Führungsschiene. Wenn der Kunde diese Daten auswertet, erkennt er schon frühzeitig, ob in der Applikation ein größerer Verschleiß vorliegt, oder sogar ein Ausfall zu erwarten ist. Der Antrieb kann also vor dem Hintergrund der digitalen Transformation mehr und mehr als Sensor verwendet werden. Zukünftig können im Idealfall sogar Sensoren in Applikationen wegfallen, da bereits viele Informationen im Antrieb vorhanden sind. Auf der einen Seite haben wir in den Antrieben bereits unterschiedliche Sensor- und Zustandsinformationen integriert. Auf der anderen Seite haben wir Schnittstellen wie digitale I/Os oder Bussysteme, über die wir diese Informationen an übergeordnete Systeme weitergeben können.

Antriebssysteme nutzen der digitalen Transformation

KEM Konstruktion: Wo im Digitalen besteht derzeit besonderer Lösungsbedarf?

Moosmann: Wir sehen uns als Befähiger für die Digitalisierung. Wir haben sogenannte K4- und K5-Systeme mit integrierten Softwarealgorithmen, mithilfe derer wir schnell applikationsspezifische Lösungen umsetzen können. Nichtsdestotrotz definieren wir unseren Systemgedanken in Bezug auf Motor, Elektronik, Getriebe, Bremsen und Encoder inklusive der Software. Diese wird benötigt, um das Antriebssystem optimal auf die Applikation abzustimmen. Bei Maschinen oder Geräten mit einer geringeren Anzahl von Antriebsachsen können wir mit unseren integrierten Antriebssystemen sogar die komplette Steuerung der Applikation übernehmen. Auf die sonst übergeordnete Steuerung (SPS) kann in diesem Fall verzichtet werden.

KEM Konstruktion: Ein Trend in der Automatisierung ist die dezentrale Antriebstechnik. Wie reagieren Sie auf diese Entwicklung?

Moosmann: Die Entwicklung und Fertigung von dezentralen Antriebslösungen ist seit Jahren unsere Kernkompetenz. Unsere Kompaktantriebe integrieren möglichst viele Funktionen auf möglichst geringem Bauraum.

Im Zuge von Industrie 4.0 geht ein Trend ganz klar in Richtung Dezentralisierung. Das heißt, es gibt zentrale Rechner, welche die Aktoren und Sensoren in der Feldebene direkt steuern und auslesen. Die einzelnen Einheiten der Feldebene müssen daher allerdings so autark wie möglich funktionieren. Dazu passen unsere Kompaktantriebe weil sie unabhängig die Antriebsaufgabe lösen und lediglich von einem digitalem Signal oder einem Netzwerk getriggert werden. Die eigentliche Antriebsaufgabe wird also unabhängig von der übergeordneten Steuerung ausgeführt und entlastet somit das Netzwerk deutlich.

Der Entwickler einer Maschine oder eines Automatisierungssystems kann sich so auf die wesentlichen Aufgaben einer Applikation konzentrieren und muss sich nicht um die Ansteuerung des Antriebssystems kümmern. Wie bereits erwähnt, können wir auch die Ablaufsteuerungen in den Antrieb integrieren. Ein Motor übernimmt dann die Masterfunktionalität und steuert damit die gesamte Applikation.

KEM Konstruktion: Als weiterer Trend in der Antriebstechnik lässt sich die Entwicklung hin zur Kleinspannung mit 24 beziehungsweise 48 V beobachten. Welche Gründe gibt es dafür?

Moosmann: Kompakte, multifunktionale Schutzkleinspannungsantriebe können direkt und ohne große Wirkungsgradverluste dort eingesetzt werden, wo das Drehmoment benötigt wird. Sie eignen sich optimal, da die Anforderungen in Bezug auf Sicherheitstechnik geringer sind. Ein weiterer Grund ist sicherlich die Notwendigkeit einer kostenoptimalen Lösung. So ist zu beobachten, dass Maschinen- und Anlagenbauer in neueren Generationen neben einem klassischen Zwischenkreis in Niederspannung eine zweite Spannungsversorgung in Schutzkleinspannung vorsehen. Oft werden Kleinantriebe mit dieser Spannungsversorgung für den Antrieb von Hilfsachsen wie Formatversteller eingesetzt. Sie ersetzen damit einen klassischen AC-Servomotor mit abgesetztem Umrichter, was beachtliche Einsparpotentiale bietet.

Auch steigende Anforderungen an die Energieeffizienz von elektrischen Maschinen sind eine Motivation. Legt man einen bürstenlosen Gleichstrommotor auf Basis einer Synchronmaschine zugrunde, ist die Energieeffizienz eines solchen Antriebs im Vergleich zu herkömmlichen AC-Käfigläufermotoren deutlich besser. Die aktuellen Anforderungen innerhalb der Intralogistik unterstützen diesen Trend: Ortsfeste Stetigförderer werden vermehrt durch flexiblere Konzepte ersetzt. Zunehmend werden fahrerlose Transportsysteme eingesetzt. Diese werden standardmäßig über fahrzeugintegrierte Batterien mit Gleichstrom versorgt. Die Verwendung von Gleichstrommotoren in Schutzkleinspannung ermöglicht die direkte Versorgung.

KEM Konstruktion: Welche Rolle spielen in diesem Spannungsbereich Servoantriebe mit integrierter Elektronik?

Moosmann: Antriebe in Schutzkleinspannung mit integrierter Elektronik spielen in dieser Kombination ihre Stärke aus. Die Steuerungs- und Regelungsfunktion des Motors ist hier direkt in den Antrieb integriert und benötigt nur minimal mehr Bauraum im Vergleich zur Variante ohne integrierte Elektronik zum Betrieb an einem abgesetzten Antriebsregler. Daher nennen wir diese Art von Servomotoren auch Kompaktantriebe. Die Verkabelung zwischen Regler, Umrichter und Motor entfällt komplett. Diese Verbindung haben wir bereits innerhalb des Motors direkt und sehr robust ausgelegt. Auch wird diese Verbindung bereits während der Produktentwicklung auf die Markt- und EMV-Anforderungen validiert.

Wie bereits erwähnt, wandern mit Industrie 4.0 und steigender Dezentralisierung Funktionen zunehmend in die Feldebene. Unsere Kompaktantriebe mit integrierter Elektronik unterstützen diesen Trend. Im Zuge des IIoT entwickelt sich der Antrieb zum Sensor, der neben eigenen Zustandsinformationen auch Informationen von weiteren Komponenten dezentral einlesen kann. Daten können somit für die Themen Condition Monitoring und Predictive Maintenance genutzt werden.

Antriebssysteme profitieren von Soft- und Hardwareentwicklungen

KEM Konstruktion: Wie unterstützen Sie Konstruktions- und Applikationsingenieure softwareseitig?

Moosmann: Mithilfe unseres Softwaretools Drivestudio kann der Antrieb beispielsweise über eine grafische Oberfläche in Betrieb genommen und parametrisiert werden. Wird ein Antrieb in die Applikation eindesignt, können Ingenieure eine auf die Anwendung angepasste Parametrisierung schnell umsetzen. Die Applikation kann direkt vor Ort optimiert werden. Hilfestellung bietet hier die bedienerfreundliche Scope-Funktion. Das Software-Tool ermöglicht es dem Anwender, die Produkte schon innerhalb der Entwicklungsphase im Sinne eines multifunktionalen Antriebs zu optimieren und die volle Integration zu fahren. Die Drive-Experts von EBM-Papst unterstützen unsere Kunden schon während der Bemusterung mit ihrem Antriebs-Know-how. Wir bieten auch 3D-Daten im STEP-Format an, um die Produkte während der Entwicklungsphase im CAD-System einzudesignen.

KEM Konstruktion: Einerseits ist Produktvarianz gefragt, andererseits soll die Technik möglichst günstig sein. Wie reagieren Sie darauf?

Moosmann: Um den spezifischen Kundenanforderungen Rechnung zu tragen, setzen wir auf ein sogenanntes modulares Antriebssystem. Innerhalb eines definierten Variantenraums werden einzelne Module – Motor, Elektronik, Getriebe, wie auch Bremsen oder Encoder – applikationsspezifisch zur passenden Antriebslösung zusammengestellt. Damit können wir schnell und flexibel selbst einfache Lösungen von lediglich einem Motor bis hin zu einer kompletten Antriebsachse mit allen Modulen kombinieren. Wesentlich ist hier die Festlegung auf standardisierte mechanische beziehungsweise elektrische Schnittstellen für jedes Einzelmodul innerhalb des Antriebssystems. Damit können immer wieder die gleichen Module verwendet werden, aber auch bestehende angepasst oder neue einfach hinzugefügt werden. Das ermöglicht dem Kunden, schnell spezifische und dennoch validierte Antriebslösungen einzudesignen und dabei die Kosten im Blick zu halten.

Vorteilhaft ist auch, dass wir elektronikseitig Softwaresysteme entwickelt haben, die einfach parametrisiert werden können. Damit wird ein weiterer Grad der Individualisierung ermöglicht, wovon unsere Kunden unmittelbar profitieren. Insgesamt betrachtet bedeutet unser Ansatz eine Standardisierung am Anfang der Wertschöpfungskette. Die applikationsspezifische Individualisierung der Antriebe erfolgt zum Ende innerhalb der letzten Fertigungsschritte.

KEM Konstruktion: Als kurzer Einblick: Welche Komponenten machen Ihren Antriebsbaukasten aus?

Moosmann: Hauptbestandteile unseres modularen Antriebssystems sind Motoren, Regelelektronik und Getriebe. Bei den Motoren unterscheiden wir zwischen bürstenlosen oder bürstenbehafteten Innenläufern und bürstenlosen Außenläufern. Der Außenläufer ist der Motor, bei dem sich der der Rotor außen um den Kern bewegt. Es ist das Motorkonzept, das wir auch seit Jahrzehnten in der Lufttechnik verwenden. Vorteil des Außenläufermotors ist, dass er das Drehmoment auf einem kompakten Bauraum umsetzen kann und dadurch im Verhältnis zum Innenläufermotor recht kurz baut. Auch wird mit einem Außenläufermotor ein besseres Gleichlaufverhalten erzielt.

Beim Innenläufer dreht sich der Rotor innen und die Bauweise ist länger als beim Außenläufer, dafür ist der Durchmesser geringer. Aufgrund des geringeren Trägheitsmoments können hier dynamischere Antriebsaufgaben umgesetzt werden. Die integrierten Elektroniken ermöglichen neben Drehzahlregelung, Positionierung sowie die Kommunikation mit übergeordneten Systemen viele applikationsspezifische Features. Direkt integriert sind auch Encodersysteme und eine optionale Bremse. Passend dazu haben wir für die unterschiedlichen Anforderungen verschiedene Getriebebaureihen wie Winkel- und Planetengetriebe im Angebot. Über eine derart kompakte und ausgereifte Integration vielfältiger Funktionen in einer Antriebseinheit heben wir uns von unseren Marktbegleitern ab. Kurzum: Unsere intelligenten Antriebssysteme bauen kompakt und können so direkt am Ort des Geschehens integriert werden.

KEM Konstruktion: Welche Möglichkeiten eröffnen Ihre antriebstechnischen Entwicklungen unter ökologischen Aspekten – Stichwort Energieeffizienz?

Moosmann: Dadurch dass wir gleichstrombetriebene Motoren haben und diese inklusive integrierter Elektronik entwicklungsseitig optimal auslegen, erreichen wir Wirkungsgrade von über 90 %. Wenn man das mit einem AC-Käfigläufer vergleicht, ist das um Welten effizienter. Die zugeführte Energie wird bei unseren Antriebssystemen fast vollständig in die vorgesehene Arbeit gesteckt. Die Verluste durch mechanische Reibung und elektrische Energieführung sind minimal, was gleichzeitig auch der störenden Wärmeentwicklung entgegenwirkt.

KEM Konstruktion: Haben Sie aktuelle Beispiele?

Moosmann: Eine Applikation sind Shuttle-Systeme, bei denen unsere Antriebssysteme aufgrund der kompakten Bauweise an verschiedenen Stellen integriert werden. Ein Highlight sind sicherlich auch batteriebetriebene, fahrerlose Transportsysteme (FTS). Hier muss man zwei Aspekte berücksichtigen: Zum einen benötigt man die 48-V-Schutzkleinspannung, bei der keine Spannungswandlung von der Batterie zu den Motoren nötig ist. Zum anderen benötigt man bei batteriegetriebenen Systemen sehr effiziente Motoren, um eine möglichst lange Akkulaufzeit zu gewährleisten. Gerade bei FTS hat unser modulares Antriebssystem viele Einsatzmöglichkeiten wie Hubsysteme oder Fahrantrieb. Zurzeit entwickeln wir zudem ein kombiniertes Fahr-Lenk-System, das ein omnidirektionales, also flächenbewegliches Fahren ermöglicht. Die kompakte und effiziente Lösung besteht aus Antriebsmotor, Elektronik, Getriebe, Sensorik und Rad. Das Produkt entstand aus einer Forschungszusammenarbeit mit dem KIT Karlsruhe und hat die Forschungsphase durchlaufen. Aktuell sind wir in der Erprobung und dabei, das System in die Serie zu überführen.

Zum Online-Konfigurator für Antriebs-lösungen von EMB-Papst:
hier.pro/JAED4

Kontakt
EBM-Papst Mulfingen GmbH & Co. KG
Bachmühle 2
D-74673 Mulfingen
Tel.: +49 7938 81–0
E-Mail: info1@de.ebmpapst.com
www.ebmpapst.com
Geschäftsführer: Stefan Brandl


Johannes Moosmann, Geschäftsbereichsleiter Industrielle Antriebstechnik, EBM-Papst
Bild: EBM-Papst

„EBM-Papst integriert bereits viel Hard- und Software direkt in seine Antriebssysteme.“


Johannes Moosmann, EBM-Papst
Bild: EBM-Papst

„Bei den Motoren unterscheiden wir zwischen bürstenlosem Innenläufer, bürstenbehaftetem Innenläufer und bürstenlosem Außenläufer.


Mittels Drivestudio können Anwender die Antriebstechnik von die EBM-Papst applikationsspezifisch anpassen
Bild: EBM-Papst

info

Drivestudio-Software

Im Demo-Level der Drivestudio-Software kann der Antrieb im Drehzahl-, Drehmoment- oder Positioniermodus gestartet werden, und aktuelle Werte werden angezeigt. Im Parametrier-Level hingegen kann der Anwender bei Bedarf die Standardeinstellungen des Antriebs in logischer Reihenfolge menügeführt verändern. Funktionsdiagramme unterstützen ihn bei allen notwendigen Eingaben, beispielsweise für Regelkreise, Referenzfahrt oder die Einstellung der Beschleunigungs- und Bremsrampe. Im Scripting-Level können Anwender Testläufe beliebiger Fahrsequenzen in Programmiersprache C frei programmieren.

www.ebmpapst.com/drivestudio



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