Dynamic E-Flowynamic E-Flow, kurz DEF genannt, fertigt elektrische Motoren für besonders hohe Leistungsanforderungen und setzt dabei auf die eigens entwickelte Lösung „Capcooltech“ für effizientes Wärmemanagement. Hierbei werden als Kapillaren ausgeführte, im Zentrum hohle Kupferdrähte für die Motorwicklungen verwendet. Im Betrieb fließt nicht nur elektrischer Strom durch das Kupfer, sondern auch Kühlmittel durch die Kapillaren. Dieses steht somit in direktem Kontakt zur Hauptwärmequelle der Maschine und kann die entstehende Verlustwärme äußerst effizient abführen. Dadurch kann die Stromdichte im Dauerbetrieb um das bis zu Siebenfache bis über 75 A/mm² gesteigert werden, ohne ein Überhitzen der Wicklung zu riskieren. Zudem steigen die Drehmoment- und Leistungsdichte. Das Ergebnis sind sehr kompakte und gleichzeitig hoch performante Maschinen, die in der Regel kein thermisches Derating im Dauerbetrieb mehr benötigen.
Feldorientiertes Steuersystem regelt Motoren
Diese Permanentmagnetmotoren werden durch ein feldorientiertes Steuersystem geregelt. Daher ist eine hochgenaue Messung der absoluten Rotorposition und der Drehzahl, also der inkrementellen Änderung, erforderlich. Da außerdem Temperatur-, Druck- und Drehmomentsensoren eingesetzt werden, ist der Platz für die Messung der Rotorposition und -geschwindigkeit sehr begrenzt. Doch der Platzmangel ist nicht die einzige Herausforderung: Zukünftige Testszenarien sollen ohne Untersetzungsgetriebe am Prüfstand durchgeführt werden können, sodass neben einem enormen Drehmoment ab Drehzahl 0 auch eine hohe Drehzahlfestigkeit von Maschine und Sensorik gefordert wird. Im Falle der Baureihe von Dynamic E Flow werden im Betrieb regelmäßig Drehzahlen bis 25.000 rpm erreicht. „Die Drehzahl des Rotors muss mit einem lagerlosen System gemessen werden, da es sich um eine Anwendung mit durchgehender Welle handelt. Der Sensor muss zudem unempfindlich gegenüber magnetischen Streufeldern sein, da er sich in der Nähe des Stators befindet“, erklärt Manuel Hartong, Chief Technology Officer bei DEF.
Bei Antrieben mit großen Wellendurchmessern fällt es schwer, eine geeignete Lösung zur Messung von Rotorlage und Drehzahl auf dem Markt zu finden. DEF wandte sich daher an den Sensorspezialisten Lenord+Bauer. Das Unternehmen aus Oberhausen hat sich mit zuverlässigen, magnetischen Sensoren einen Namen gemacht, die seit Jahrzehnten in hochdynamischen Anwendungen, wie zum Beispiel Werkzeugmaschinenspindeln eingesetzt werden. Die magnetischen Messsysteme zur Drehzahl- und Positionserfassung punkten insbesondere in beengten Einbausituationen. Sie bestehen aus einem ferromagnetischen Messzahnrad und einer Abtasteinheit namens Minicoder. Da das System ohne eigene Lagerung auskommt, arbeitet es vollkommen verschleiß- und wartungsfrei. Die optimierte Schaltungs- und Schirmtechnologie sowie die vollvergossene Elektronik gewährleisten den sicheren Einsatz selbst unter schwierigsten Umgebungsbedingungen.
Sensorlösung erfüllt Maximalanforderungen
Ein off-the-shelf-Produkt existierte für diese spezielle Anwendung nicht. Somit wurden in einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt die Anforderungen an eine Sensorlösung so definiert, dass diese die Maximalanforderungen von DEF erfüllt. Dabei galt es, den sehr begrenzten Einbauraum zu beachten. „Das Team von Lenord+Bauer erstellte technische Entwürfe auf Basis von bewährten Komponenten, die wir gemeinsam abstimmten. Eine clevere Kombination aus einem absoluten sowie einem inkrementellen Einbaugeber mit einem individuellen Präzisionsmesszahnrad erfüllte schließlich unsere Anforderungen“, sagt Hartong. Ein GMR-basierter Positionssensor liefert den Rotorpositionswinkel als digitalen SSI-Wert. Für die Drehzahlmessung wird eine Lösung für Hochgeschwindigkeitsanwendungen verwendet. Beide Sensorsysteme tasten ein Noniuszahnrad ab, welches als dritte Spur einen Referenzzahn erhielt. Das System ist mit nur 29 mm sehr schmal und spart somit signifikant Einbauplatz.
Für eine Funktion mit maximaler Auflösung werden die beiden lagerlosen Geber in ihrer Einbaulage mit dem zugehörigen Test- und Programmiergerät automatisch abgeglichen. Der damit optimal eingestellte Arbeitspunkt wird durch das integrierte Mikroprozessorsystem in beiden Sensoren über den gesamten Temperaturbereich und der durch Schwingungen und Stöße entstehende Luftspaltänderung nachgeführt. Die Gebersysteme der Oberhausener sind wasserdicht und resistent gegenüber starken magnetischen Störfeldern. Öl, Kühlmittel und andere Flüssigkeiten können ihnen ebenfalls nichts anhaben „Wir haben ein extrem robustes System erhalten, so dass unsere Kunden die Prüfstandmotoren problemlos bis zum maximal spezifizierten Drehzahl- und Temperaturbereich nutzen können“, zieht Manuel Hartong als Fazit. (jg)
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