Veränderter Aufbau der Motorwicklung erhöht die Leistungsdichte

So können die Leistungsdichten und Genauigkeiten durch Fortschritte im Bereich der Magnettechnologie und der Winkelsensoren verbessert werden. Hohe Leistungsdichten und Genauigkeiten stehen jedoch oft im Widerspruch zu einer hohen Zuverlässigkeit. Hier kann der Anwender durch eine gezielte Auswahl der Antriebe für seine Anforderungen das Optimum hinsichtlich Kosten und Leistungsfähigkeit erreichen.

Magnetwerkstoffe für Servomotoren

Neue, korrosionsfeste und hochkoerzitive Magnetwerkstoffe erlauben eine höhere Zuverlässigkeit von Servoantrieben. Diese korrosionsfesten Hochenergie-NdFeB-Magnete haben ein ähnliches Korrosionsverhalten wie Stahl. Das heißt, sie können ohne weiteren Schutz im Motorinneren verarbeitet werden und neigen auch bei Zerstörung der Magnetoberfläche nicht zu verstärkter Korrosion.

Durch Wahl von Magneten mit besonders hoher Koerzitivfeldstärke werden die Magnete auch bei Überlast nicht entmagnetisiert. Die bisher eingesetzten Neodym-Eisen-Bor-Magneten (NdFeB) waren wesentlich korrosionsanfälliger als die sonst verarbeiteten Werkstoffe innerhalb der Motoren. Daher ist in aller Regel eine Bandage notwendig, die den Zutritt von Feuchtigkeit zum Magneten bremst. Darüber hinaus erhalten die Magnete Korrosionsschutzschichten, die ebenfalls Feuchtigkeit und Sauerstoff vom Neodym fernhalten. Allerdings kann bereits eine punktuelle Zerstörung der Schutzschicht Korrosion mit einer damit verbundenen Zerstörung der Magneten nach sich ziehen.

Wicklungsaufbau

Zur Erhöhung der Leistungsdichte und der Zuverlässigkeit baut Lenze bei neuen Servomotoren die Wicklung aus einzelnen Spulen auf. Diese Spulen werden separat gewickelt und mit Eisenkernen zu einem Stator zusammengesetzt. Dadurch lassen sich bei verminderten Kräften auf den Lackdraht erhöhte Füllfaktoren erreichen (Bild 1). Heute werden die Wicklungen in der Regel in ein genutetes Blechpaket eingezogen (Bild 2), so dass sich Kupferfüllgrade von etwa 40 Prozent erreichen lassen. Diese recht hohe Füllung ist für eine hohe Leistungsdichte der Servomotoren erforderlich. Aus dem gleichen Grund wird durch Pressen des Wickelkopfes die Länge der Wicklung reduziert und damit das Bauvolumen klein gehalten.

Beim Einbringen und Pressen der Wicklungen werden jedoch hohe Kräfte aufgebracht, die die Isolationsschichten stark mechanisch beanspruchen. Daher ist bei der Kupferfüllung mit normalen genuteten Statorpaketen kaum noch eine Steigerung möglich, ohne erhöhte Ausfälle durch Isolationsschäden zu erhalten.

Leistungsdichte und Zuverlässigkeit stehen also in einem Widerspruch zueinander. Durch die oben beschriebenen Wicklungen aus einzelnen Spulen werden die oben aufgezeigten Probleme umgangen. Ein Pressen des Wickelkopfes entfällt völlig, so dass auch diese Beanspruchung für den Draht entfällt. Beim Wickeln der Spulen sind die auftretenden Kräfte deutlich kleiner als beim Einziehen der Wicklungen. Das schon den Draht. Die Leistungsdichte steigt an, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Einfluss der Betriebsweise auf die Lebensdauer

Der Anwender kann durch eine geeignete Antriebsauslegung Einfluss auf die Lebensdauer nehmen. So erhöht eine reduzierte Radialkraftbelastung des Motors und die Wahl großer Lager die Lagerlebensdauer. Daher setzt Lenze bei den neuen Servomotoren großzügig dimensionierte Lager ein, die dem Anwender eine hohe Verfügbarkeit sichern.

Normalerweise wird die nominelle Lebensdauer Lh10 angegeben, d.h. mit Erreichen der Zeit Lh10 sind noch 90 Prozent der Lager intakt, 10 Prozent der Lager sind ausgefallen. Bei höheren Anforderungen an die Zuverlässigkeit reduziert sich die nominelle Lebensdauer. Durch reduzierte Belastung des Motorwellenendes durch Radialkräfte Fr1 und Fr2 und Axialkräfte Fa (Bild 3) kann die nominelle Lebensdauer heraufgesetzt werden (Tabelle 1 und Bild 4).

Fettgebrauchsdauer der Lager

Häufig bestimmt die Fettgebrauchsdauer die Lebensdauer der Motorlager. Durch Einsatz von Hochtemperaturfetten kann herstellerseitig die Gebrauchsdauer hochgesetzt werden. Durch Überdimensionierung der Motoren bei der Antriebsauswahl durch den Anwender wird ebenfalls die Fettgebrauchsdauer heraufgesetzt: Mit abnehmender Temperatur altert das Fett langsamer.

Winkelsensoren für Servomotoren

Auf dem Markt gibt es ein weites Spektrum von Winkelsensoren. Jedoch ist nur ein Teil hiervon für Servoantriebe geeignet. Es müssen erfüllt sein:

l hohe Temperaturfestigkeit

l Vibrationsfestigkeit

l zuverlässiger mechanischer Anbau

Um hier jeweils das Optimum für die Anwendung zu erreichen, ist die richtige Auswahl des Gebers erforderlich (Tabelle 3).

l Bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit sind Sin-Cos-Geber gut geeignet

l bei geringeren Genauigkeitsanforderungen stellen Resolver die robuste und kostengünstige Lösung dar

Durch Speicherchips im Motor kann die Inbetriebnahme der Motoren vereinfacht werden: Motordaten und Geberdaten sind im Chip gespeichert. Beim Einschalten des Servo-Umrichters liest dieser dann die aktuellen Daten aus und stellt seine Reglerparameter auf den angeschlossenen Motor ein. Dadurch entfallen Inbetriebnahmeprobleme durch falsche Gebereinstellung am Servo-Umrichter, falsche Eingabe von Motorparametern u.ä.

Wahl der optimalen Getriebeübersetzung und Motordrehzahl

Durch optimale Wahl der Getriebeübersetzung und geeigneter Wahl der Motordrehzahl können Motor und Elektronik optimal klein ¿ und kostengünstig ¿ gewählt werden. Durch Fortschritte bei der Leistungsdichte lassen sich immer kleinere Massenträgheitsmomente bei den Motoren realisieren, wie das folgende Beispiel zeigt.

Trommelantrieb zum Prägen von Folien

Am Beispiel eines Trommelantriebes zum Prägen von Folien (Bild 6) wird gezeigt, wie die reduzierten Massenträgheitsmomente die Motoren für den gleichen Anwendungsfall immer kleiner werden lassen (Tabelle 4).

Daten des Trommelantriebes

l Prägetrommel dreht sich pro Takt um 11,25º

l Gewicht Prägetrommel 160 kg

l Durchmesser Prägetrommel Æ 200 mm

l Taktzahl 300 1/min, Taktzeit T=0,2s

l Zeit um 11,25º zu drehen beträgt 66 ms

l Prägetrommel wird über Flachgetriebe GFL06 mit Jgetr » 0,6 . 10-4 kgm2 bezogen auf die Motorseite angetrieben

l Lastmoment zum Vorschieben der Folie ist gegenüber Beschleunigungsmoment vernachlässigbar

Formeln

Formeln...

Mit fortschreitender Entwicklung lässt sich die Größe des Motors von 10,3 kg auf 3 kg verringern. Gleichzeitig steigen die benötigten Maximaldrehzahlen von 1863 /min auf 5183 /min an. Nur wenn die jeweils passende Drehzahl des Motors gewählt wird, ist der Antrieb in der beschriebenen Art zu optimieren.

Dr.-Ing. Carsten Fräger
Leiter Motorenentwicklung
Lenze AG
Hameln

Zum Thema

Die Leistungsdichte bei Motorwicklungen erhöhen und trotzdem ein äußerst zuverlässiges Produkt in den Händen halten, ist nicht mehr bloßes Wunschdenken. Diese beiden Anforderungen, die bislang aufgrund der mechanischen Beanspruchung beim Wickeln immer im Widerspruch standen, können jetzt durch einen speziellen Aufbau realisiert werden. Mit fortschreitender Leistungsdichte reduzieren sich auch die Massenträgheitsmomente, und inwieweit sich dies auf die Größe und die Maximaldrehzahl des Motors auswirkt, wird hier sehr anschaulich am Beispiel eines Trommelantriebes gezeigt.

st

Links: http://www.lenze.com