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antriebstechnik 11/2016

antriebstechnik 11/2016

SPS IPC DRIVES

SPS IPC DRIVES 2016 I SPECIAL Kompakter konstruiert Mehr Dynamik und Flexibilität in der Servotechnik durch neue Wickeltechnik Helmut Pirthauer Die aktuellen Marktanforderungen in der Servotechnik stellen die Hersteller vor vielfältige Herausforderungen. Zunehmend benötigen die Kunden kompakte Antriebe mit hohen Beschleunigungsmomenten. Eine innovative Wickeltechnik bildet die Grundlage für die geforderte Performancesteigerung. Helmut Pirthauer ist Geschäftsführer (CEO) der Heidrive GmbH in Kelheim Weltweit steigt der Bedarf an dynamischen und individuellen Antriebslösungen. Oftmals ist es schwer, mit einem Standardprodukt den verschiedenen Kundenwünschen zu entsprechen und erst recht die unterschiedlichen technologischen Anforderungen der Märkte Asien, Europa und USA gleichzeitig zu bedienen. Das Unternehmen Heidrive, Antriebsspezialist seit mehr als 70 Jahren, setzt hier auf ein Baukastensystem, das stetig erweitert und angepasst wird. Damit lassen sich mittlerweile viele Millionen verschiedene Antriebe aus unterschiedlichen Komponenten konfigurieren. Marktspezifisch konfiguriert Speziell für den asiatischen Raum wurde 2009 die erste Baureihe Hei Motion Compact (HMC) eingeführt. Deren Abmessungen (Flanschmaße 60, 80 und 130 mm) und Anschlusstechnik entsprechen asiatischem Standard. Weitere entscheidende Kriterien für den fernöstlichen 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 Hei Motion Premium (HMP) für den europäischen Markt an. Für sie 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 Kunde aus 17 verschiedenen Gebersystemen auswählen. 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. Neue Wickeltechnik eingesetzt Bei beiden Baureihen wird eine kompakt verteilte Wicklung verwendet. Diese 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 verbesserte Regelbarkeit und Wirkungsgrade von bis zu 94 %. Zunehmend werden vom Markt Antriebe mit hohen Beschleunigungswerten bzw. mit einem dynamischen Verhalten gefordert. Auch die Kompaktheit und Energieeffizienz der Antriebe stehen im Zentrum der Kundenwünsche. Bevorzugte Anwendungsbranchen sind hier die Automatisierung, Robotik sowie die CNC-Maschinen- Hersteller. Auf Dynamik optimiert Die neue dynamische Baureihe Hei Motion Dynamic (HMD) wurde gezielt auf diese Anforderungen abgestimmt. HMD-Motoren zeichnen sich durch ihr äußerst dynamisches Verhalten und ihre Robustheit aus. Die Dynamik wird zum einen durch eine Materialoptimierung am Läufer (Bild 01) und zum anderen durch eine Baulängen- 52 antriebstechnik 11/2016

SPECIAL I SPS IPC DRIVES 2016 01 Direktvergleich des Läuferblechs zwischen den Reihen Premium (HMP; links) und Dynamic (HMD; rechts) 02 Die Baureihe HMD soll trotz 25 % Baulängenreduzierung eine 75 % höhere Dynamik erreichen 03 Gegenüberstellung der unterschiedlichen Spulenwicklung der Reihe Premium (links) und Dynamic (rechts) reduzierung (Bild 02) ermöglicht. Letztere wurde durch eine konzentrierte Wicklung (Wicklung um einen Zahn) erreicht (Bild 03). Dabei werden Kupferschichten über einzelne Zähne mithilfe einer Flyerwicklung ohne Kreuzungen automatisch aufgetragen. Auf diese Weise wird die Querschnittsfläche der Nut optimal ausgenutzt. 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 äußerst hochdynamische Baureihe entstanden, die sich sämtlicher Optionen des bestehenden Servobaukastens bedient. Die Winkelbeschleunigung an einem Motor mit einer Leistung von 1 000 W (3,5 Nm bei 3 000 min -1 ) konnte von 100 000 rad s -2 auf 175 000 rad s -2 angehoben werden. Damit lassen sich nun auch hochdynamische Anforderungen des Marktes realisieren. Die mit dieser Wicklungstechnologie einhergehende Verschlechterung der Rastmomente konnte mittels FEM- Berechnungen, die allen Schnittberechnungen zugrunde lagen, 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. Verguss unter Vakuum 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 Erschütterungen haben durch den vollständigen Einschluss in die Vergussmasse keine Auswirkungen auf die Stabilität der Wicklungen. Auch die elektrische Stabilität wird positiv beeinflusst. Zwischen die einzelnen Drähte dringt Vergussmasse ein und bildet eine zusätzlich isolierende Schicht. Verbleibende Luft wird mithilfe des Vakuumvergusses komplett aus der Spule evakuiert. Teilentladung und Korona-Bildung zwischen den einzelnen Drähten sind dadurch praktisch nicht möglich, was sich positiv auf die Lebensdauer der Antriebe auswirkt. Um Niederspannung erweitert Die Forderungen des Marktes nach 24/48 V- fähigen Antriebslösungen mehren sich deutlich. Solche Kleinspannungen wurden bislang nur auf Kundenwunsch und somit in Verbindung mit einer mehrwöchigen Lieferzeit umgesetzt. Nun wird mit der HMD-Baureihe eine eigene Niederspannungsbaureihe angeboten, welche in der Standardlieferzeit von unter 10 Tagen bereitgestellt werden kann. So lassen sich die veränderten Marktbedarfe künftig schneller und flexibler abdecken. 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 14 kV. Mit der neuen 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 den Motoren beider Baugrößen realisiert werden kann. So steht für ein und dasselbe Drehmoment sowohl ein langer schlanker und dadurch sehr dynamischer Motor als auch ein größerer, aber äußerst kurzer und dadurch sehr kompakter Motor zur Verfügung. Die neue HMD-Baureihe stellt keine unabhängige Baureihe dar, sondern vielmehr eine Erweiterung des bereits etablierten Hei Motion Servosystems. Sämtliche Schnittstellen sind identisch, lediglich der Magnetkreis (Wicklung und Läufer) wurde einer Weiterentwicklung unterzogen. In der Folge können sämtliche Optionen wie Geber, Bremse, Stecker, Kappen, Planetengetriebe usw. des bestehenden Baukastens verwendet werden. So wurde durch den Rückgriff auf bewährte Komponenten in kurzer Zeit eine dritte Baureihe für den Kunden kreiert. Auf der Fachmesse SPS in Nürnberg wird die HMD-Baureihe erstmals mit den erweiterten Motorschnitten HMD04 und HMD10 dem Fachpublikum präsentiert. Erste Großprojekte, bei denen eine hochdynamische Performance benötigt wird, wurden mit der HMD-Reihe bereits im Vorfeld erfolgreich umgesetzt. www.heidrive.de antriebstechnik 11/2016 53

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