Mehr Dynamik und Flexibilität in der Servotechnik

Der Autor: Helmut Pirthauer, Geschäftsführer, Heidrive

Weltweit steigt der Bedarf an dynamischen und äußerst individuellen Antriebslösungen. Oftmals ist es schwer, mit einem Standardprodukt den verschiedenen Anwenderwünschen zu entsprechen und erst recht die unterschiedlichen technologischen Anforderungen der Märkte Asien, Europa und USA gleichzeitig zu bedienen. Die Firma Heidrive, Antriebsspezialist seit mehr als 70 Jahren, setzt hier auf ein ausgefeiltes Baukastensystem, das stetig erweitert und angepasst wird. Damit lassen sich inzwischen über 20 Millionen verschiedene Antriebe aus unterschiedlichen Komponenten konfigurieren.

Speziell für den asiatischen Raum wurde 2009 die erste Baureihe HeiMotion Compact (HMC) eingeführt. Deren Abmessungen (Flanschmaße 60, 80 und 130 mm) und Anschlusstechnik entsprechen asiatischem Standard. Weitere entscheidende Kriterien für den asiatischen Markt sind die Leistungsabstufungen (200 W bis 3 kW) und der Kostenvorteil. So werden statt Anschlüssen mit Stecker kostengünstigere Kabelanschlüsse eingesetzt. Zudem ist die Auswahl an Gebern begrenzt, damit in Serie hohe Stückzahlen pro Fertigungslos produziert werden können.

Seit 2012 bietet Heidrive die Baureihe HeiMotion Premium (HMP) für den europäischen Markt an. Für diese werden möglichst viele Komponenten aus der bestehenden HMC-Baureihe verwendet, um die Teilevielfalt und somit die Kosten zu reduzieren. Mit Abnahmen wie UL/CSA wird die HMP-Baureihe den Anforderungen des europäischen Marktes gerecht. Temperatursensoren sowie gängige Steckeranschlüsse sind in dieser Baureihe Standard.

Des Weiteren kann der Anwender aus acht verschiedenen Gebersystemen auswählen. Damit bleibt kein Wunsch mehr offen. Die Geberschnittstelle wurde so konzipiert, dass jeder Geber am Ende der Montagestrecke an den Motor angebaut werden kann. Die nötige Teilevielfalt sinkt damit um bis zu 75 %. Durch zusätzliche Motorschnitte stehen in der HMP-Baureihe die Flanschmaße 40, 60, 80, 100, 130 und 190 mm zur Verfügung. Diese Maße decken einen Leistungsbereich von 50 W bis 15 kW und ein Stillstandsmoment von 0,2 bis 110 Nm ab.

Bei beiden Baureihen wird eine sehr kompakt verteilte Wicklung verwendet. Diese besondere Kompaktheit wurde durch langjährige Erfahrung und intensive Optimierungen zur Reduzierung der Wickelkopfhöhen erreicht. Damit lassen sich sowohl niedrige als auch sehr hohe Drehzahlen mit geringen Eisenverlusten realisieren. Diese Wickeltechnik sowie die Optimierung der Magnet- und Schnittgeometrie ermöglichen eine ausgezeichnete Regelbarkeit und Wirkungsgrade von bis zu 94 %.

Zunehmend werden vom Markt Antriebe mit sehr hohen Beschleunigungswerten bzw. mit einem sehr dynamischen Verhalten gefordert. Auch die Kompaktheit und Energieeffizienz der Antriebe stehen im Zentrum der Anwenderwünsche. Die bevorzugten Einsatzbranchen sind hier die Automatisierung, Robotik sowie die Welt der CNC-Maschinen-Hersteller.

Die neue dynamische Baureihe HeiMotion Dynamic (HMD) wurde gezielt auf diese Anforderungen abgestimmt. Die HMD-Motoren zeichnen sich durch ihr äußerst dynamisches Verhalten und ihre Robustheit aus. Die Dynamik wird zum einen durch eine Materialoptimierung am Läufer und zum anderen durch eine Baulängenreduzierung ermöglicht. Letztere wurde durch eine konzentrierte Wicklung (Wicklung um einen Zahn) erreicht. Dabei werden Kupferschichten über einzelne Zähne mithilfe einer Flyerwicklung ohne Kreuzungen automatisch aufgetragen. Auf diese Weise wird die Querschnittsfläche der Nut optimal ausgenutzt. Dies resultiert in einem Wirkungsgrad von bis zu 96 %.

Die Wickelköpfe werden gegenüber der bestehenden und bereits optimierten Baureihe durch diese Wicklungsart nochmals verkürzt. Zudem wurden die Trägheitsmomente im Läufer um bis zu 35 % reduziert. Damit ist eine hochdynamische Baureihe entstanden, die sich sämtlicher Optionen des bestehenden Servobaukastens bedient.

Die Winkelbeschleunigung an einem Motor mit einer Leistung von 1000 W (3,5 Nm bei 3000 min-1) konnte von 100 000 auf 175 000 rad/s2 angehoben werden. Damit lassen sich nun auch hochdynamische Anforderungen des Marktes voll realisieren. Die mit dieser Wicklungstechnologie einhergehende Verschlechterung der Rastmomente konnte mithilfe von FEM-Berechnungen, die allen Schnittberechnungen zugrunde lagen, gänzlich vermieden werden. Es gelang sogar, die Rastmomente durch Schränkung einzelner Magnetsegmente und Optimierung der Polübergänge um mehr als 50 % zu verringern. So ergeben sich Rastmomente von weniger als einem Prozent des Stillstandmoments.

Diese neue Wicklungsart erhält auch einen Vollverguss unter Vakuum. Die Spule wird thermisch ideal an das Blechpaket und an das Motorgehäuse angebunden. Dabei wird die Verlustwärme optimal abgeführt, was insgesamt zu einem thermisch gesunden Gesamtsystem führt. Mechanische Einflüsse von außen, wie beispielsweise Erschütterungen, haben durch den vollständigen Einschluss in die Vergussmasse keinerlei Auswirkungen auf die Stabilität der Wicklungen. Auch die elektrische Stabilität wird positiv beeinflusst. Zwischen die einzelnen Drähte dringt Vergussmasse ein und bildet eine zusätzliche isolierende Schicht. Verbleibende Luft wird durch den Vakuumverguss komplett aus der Spule entfernt. Teilentladung und Koronabildung zwischen den einzelnen Drähten sind dadurch praktisch nicht möglich, was sich positiv auf die Lebensdauer der Antriebe auswirkt.

Die Forderungen des Marktes nach 24/48-V-fähigen Antriebslösungen mehren sich deutlich. Solche Kleinspannungen wurden bislang nur auf Anwenderwunsch und somit in Verbindung mit einer mehrwöchigen Lieferzeit umgesetzt. Nun wird mit der HMD-Baureihe eine eigene Niederspannungsbaureihe angeboten, die in der Standardlieferzeit von unter zehn Tagen bereitgestellt werden kann. So können die veränderten Marktbedarfe künftig schneller und flexibler abgedeckt werden.

Durch den Anbau eines Servomoduls lassen sich die Standardmotoren zu einem hochperformanten dezentralen Antrieb erweitern. Diese Antriebstechnologie kann bis 750 W Nennleistung realisiert werden. Höhere Leistungen sind aufgrund des damit verbundenen steigenden Stromes im Dauerbetrieb nicht sinnvoll.

Der bereits erwähnte Spulenverguss ermöglicht den Betrieb der HMD-Baureihe auch am 480-V-Netz. Hinsichtlich der Spannungsspitzen, die durch immer leistungsstärkere Endstufen auftreten, übernimmt der Hersteller eine Gewährleistung bis zu 16 kV.

Mit der HMD-Baureihe ging auch eine Erweiterung der Drehmomentabstufung einher. Die Abstufung der Stillstandsmomente wurde so ergänzt, dass nun beim Baugrößensprung zweier Motoren das gewünschte Drehmoment von beiden Motoren realisiert werden kann. Für ein und dasselbe Drehmoment steht somit sowohl ein langer schlanker und dadurch sehr dynamischer Motor als auch ein größerer, aber äußerst kurzer und dadurch sehr kompakter Motor zur Verfügung.

Die HMD-Baureihe stellt keine unabhängige Baureihe dar, sondern vielmehr eine Erweiterung des bereits etablierten HeiMotion-Servosystems. Sämtliche Schnittstellen sind identisch, lediglich der Magnetkreis (Wicklung und Läufer) wurde einer Weiterentwicklung unterzogen. Folglich können sämtliche Optionen (Geber, Bremse, Stecker, Kappen, Planetengetriebe usw.) des bestehenden Baukastens verwendet werden. Durch den Rückgriff auf bewährte Komponenten wurde in kurzer Zeit eine dritte Baureihe für den Anwender kreiert.

Auf der SPS in Nürnberg wird die HMD-Baureihe erstmals dem Fachpublikum präsentiert. Erste Großprojekte, bei denen eine hochdynamische Performance benötigt wird, wurden bereits erfolgreich umgesetzt. Dies bestätigt, dass die HMD-Baureihe die Marktanforderungen genau getroffen hat. I

Halle 1, Stand 340

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