Leistungsstarke Antriebstechnik für beengte Bauräume

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Inhaltsverzeichnis

1. Beispiel Multiturn-Drehgeber für miniaturisierte Antriebe
2. Hersteller und Anwender wünschen die Miniaturisierung
3. Platz ist auch im Schaltschrank ein wichtiges Thema
4. Wärmeableitung ist Herausforderung für miniaturisierte Antriebe
5. Miniaturisierte Antriebe senken Kosten
6. Websession ‚Antriebstechnik – Wenig Platz ist kein Argument!‘

Immer kompaktere bis hin zu miniaturisierten Antrieben erfordern immer kompaktere Subsysteme – seien es Elektromotoren, Getriebe, Kupplungen oder auch die zugehörige Steuerungstechnik und verbaute Maschinenelemente wie etwa Federn und Sicherungsringe beziehungsweise Fluidtechnik-Ventile etc. Da parallel die Leistung nicht sinkt sondern eher gesteigert wird, ergeben sich zahlreiche konstruktive Anforderungen – immer kleinere Bauteile müssen hohen Belastungen standhalten, die Temperaturbeständigkeit muss gegeben sein und alles muss unter beengten Platzverhältnissen verbaut werden können. Nur so lässt sich der Footprint der Maschinen und Anlagen wie gewünscht senken.

Beispiel Multiturn-Drehgeber für miniaturisierte Antriebe

Da sich aus der Miniaturisierung viele Vorteile für den Anwender ergeben, bleibt die weitere Verkleinerung der Antriebe auch in Zukunft eine der zentralen Aufgaben der F&E-Teams der Hersteller. Ein Beispiel dafür sind Multiturn-Drehgeber für Klein- und Kleinstantriebe. Damit die absolute Positionierung auch bei diesen möglich ist, ohne die oft teuren Referenzfahrten, hat Posital-Fraba einen Kit-Encoder mit nur 22 mm Durchmesser vorgestellt. Auch der zugehörige Wiegand-Sensor konnte miniaturisiert werden. Laut Posital-Fraba eine große Herausforderung.

Während der auf eine Fingerkuppe passende Wiegand-Sensor – mit dem 15 mm kurzen haarfeinen Wiegand-Draht als Kernkomponente – nicht weiter verschlankt werden konnte, knöpften sich das F&E-Team des Unternehmens dessen Innenleben intensiv vor. Ziel war es, genügend Output aus einem Magnetfeld mit wesentlich kleinerem Permanentmagneten zu generieren. Das F&E-Zentrum in Aachen, wo auch der Wiegand-Draht gefertigt wird, arbeitete daran, das kleinere Magnetfeld über eine Vielzahl von Parametern wie Abstände, Schirmung und noch präzisere Qualitätsvorgaben in Sachen ‚Draht’ für die Mini-Kits zu optimieren. Jeder Schritt wurde per Magnetfeldsimulation geprüft. Nur weil Posital-Fraba beim Wiegand-Thema schon lange alles – von der Grundlagenforschung bis zur praktischen Umsetzung – in einer Hand anbietet, konnten die Energy-Harvesting-Bausteine für die 22er-Kits fit gemacht werden.

Hersteller und Anwender wünschen die Miniaturisierung

Zu den engsten Kooperationspartnern von Posital-Fraba bei der Entwicklung der 22-mm-Kits gehörte auch maxon motor. Für den Schweizer Spezialisten für Klein- und Kleinstantriebe war gerade die Multiturn-Funktionalität mit Wiegand-Sensor, bei der die Bewegungen der nachlaufenden Welle auch im stromlosen Zustand präzise erfasst werden, der entscheidende Faktor. Mehr und mehr maxon-Kunden fragen nach absoluter Positionierung, mit der unnötige und oft teure Referenzfahrten entfallen können.

Drahtwälzlager mit Konstruktionsvorteilen

Platz ist auch im Schaltschrank ein wichtiges Thema

Miniaturisierte Antriebe bieten auch im Schaltschrank Vorteile, denn sie sind leichter zu installieren und sparen Platz. Somit können beispielsweise Schaltschrankbauer mehr Frequenzumrichter in einen Standardschrank einbauen, der Schaltschrank kann kleiner ausfallen, die Anlagen werden kompakter und die Elektroräume kleiner und kostengünstiger. Der Nutzen liegt klar auf der Hand: Durch kleinere Komponenten spart man Bauraum.

Bei integrierten Lösungen führt die hohe Leistungsdichte zudem zu geringeren Massen, die im Bewegungsablauf beschleunigt und abgebremst werden müssen. Die Bewegungen werden dadurch dynamischer und die Zykluszeiten von Maschinen kürzer. Die Grenzen dieser Entwicklung liegen einzig in der Wärmeabfuhr: Die Wärme aus den Komponenten muss prozesssicher abgeführt werden.

Wärmeableitung ist Herausforderung für miniaturisierte Antriebe

Die Herausforderungen bei der Miniaturisierung von Antrieben bestehen hauptsächlich in der Ableitung genau dieser Bauteilwärme und der Vermeidung elektromagnetischer Störeinflüsse. Je kompakter etwa Frequenzumrichter werden, umso kleiner müssen auch die verwendeten elektrischen Bauelemente und ihre Abstände untereinander auf den Leiterplatten werden, was den Abtransport der entstehenden Wärme aufgrund geringerer Kühlfläche erschwert. Und auch hinsichtlich der benötigten Kühlfläche gibt es Grenzen. Diese gibt es auch bei den Anschlüssen, da Kabel mit ausreichendem Querschnitt für die Stromübertragung untergebracht werden müssen. Hier gibt es physikalische Grenzen, die sich nicht umgehen lassen: Größere Leistungen bedingen größere Kabelquerschnitte. Allein darum ist für den Motoranschluss ein gewisser Raum nötig.

Sicherungsringe und Wellenfedern von TFC/Smalley für die Medizintechnik

Die technologischen Grenzen für kompaktere Leistungselektronik sind jedoch noch lange nicht erreicht. Es gibt nur wenige Einschränkungen. Für die Miniaturisierung in der Mikroelektronik scheint es keine Grenzen zu geben, und die gleiche Technologie findet wenige Jahre später Eingang in die Leistungshalbleiter-Industrie. Bei identischer Siliziumoberfläche werden die Verluste reduziert. Das bedeutet nicht nur kleinere Halbleiter, sondern auch einen geringeren Kühlungsaufwand im Frequenzumrichter. Dadurch können kleinere Kühlkörper verwendet und das Luftvolumen im Frequenzumrichter verringert werden: Das Ergebnis sind immer kleinere Umrichter.

Miniaturisierte Antriebe senken Kosten

Am Ende ermöglicht die Miniaturisierung antriebstechnischer Komponenten und Systeme kompakt ausgelegte Maschinen und Anlagen, die sich dadurch grundlegend flexibler und vielfältiger umsetzen lassen. Nicht zuletzt macht sich der geringere Platzbedarf auch in dem geforderten geringeren Footprint der Maschinen und Anlagen bemerkbar. Auf diese Weise ergeben sich viele Vorteile leistungsfähiger und gleichzeitig kompakter Antriebstechnik: Die verfügbare Hallenfläche lässt sich intensiver nutzen, Abwärme wird reduziert und die Ausfallsicherheit gesteigert – mit anderen Worten: die Kosten sinken! (jg)