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antriebstechnikk 3/2016

antriebstechnik 3/2016

Örtlich konzentrierte

Örtlich konzentrierte Mehrmotorenantriebssysteme – Ein Lösungsansatz für ganzheitlich modulare Antriebssysteme Uwe Brückner, Malte Strop, Detmar Zimmer Elektromechanische Antriebssysteme sind häufig kundenindividuelle Lösungen. Antriebstechnikhersteller benötigen daher Konzepte und Methoden, um diese kostenoptimal trotz einer hohen externen Variantenvielfalt herzustellen. Mehrmotorenantriebssysteme stellen einen möglichen Lösungsansatz dar. Ihr Einsatz erfordert allerdings während der Konzeptions- und Betriebsphase die Berücksichtigung und gezielte Nutzung der systeminhärenten Freiheitsgrade, um die Kundenanforderungen hinsichtlich hoher Energieeffizienz und geringer Lebenszykluskosten zu erfüllen. 01 01 Entwurfskonzept eines Mehrmotorenantriebs systems (MMDS) A ntriebstechnikhersteller agieren in einem schwierigen Marktumfeld. Auf der einen Seite treten durch eine zunehmende Globalisierung und die Öffnung lokaler Märkte zusehends neue Marktteilnehmer auf. Auf der anderen Seite fordern Kunden häufig Individuallösungen, um ihrerseits Alleinstellungsmerkmale zu generieren und somit ihre Marktposition sichern zu können. Darüber hinaus besteht kundenseitig die Erwartung, verstärkt vollständige System-oder Integrationslösungen anstelle einzelner Komponenten von Antriebstechnikherstellern beziehen zu können. Diese Situation spiegelt zwei Top-Trends der Antriebstechnik wieder und stellt in diesem Umfeld agierende Unternehmen vor große Herausforderungen [Dec15]. Die erste Herausforderung betrifft die Unternehmensstruktur und das Produktportfolio. Gegenwärtig sind rund 81 % der in der Branche tätigen Unternehmen Komponentenhersteller [Dec15]. Es ist daher erforderlich, das Produktportfolio zu erweitern oder zu restrukturieren, um zukünftig als Systemanbieter auftreten zu können. Eine weitere Herausforderung stellt die Vereinbarung der beiden grundsätzlich gegenläufigen Ziele einer hohen Variantenvielfalt in der Kundenwahrnehmung (externe Variantenvielfalt) und gleichzeitig minimaler Komplexitätskosten dar. Es müssen daher Konzepte Uwe Brückner, M.Sc. und Malte Strop, M.Sc. sind Wissenschaftliche Mitarbeiter am Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik (KAt) der Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer ist Inhaber des Lehrstuhls für Konstruktionsund Antriebstechnik (KAt) der Universität Paderborn erarbeitet werden, die das Auffinden eines optimalen Kompromisses erlauben. Die deutschen Antriebstechnikhersteller sind sich dieser Problemstellung bewusst. Laut der Studie [Dec15] sieht die Brache jedoch große Hürden in dem Aufbau des notwendigen Know-Hows für Systemlösungen und in der Anpassung bereits bestehender (Standard-) Lösungen. Ein möglicher Lösungsansatz zur Bewältigung der Herausforderungen ist die Modularisierung des Produktport folios. Durch diese Maßnahme können kundenindividuelle Lösungen auf Basis einer hohen externen Variantenvielfalt realisiert werden. Gleichzeitig können Komplexitätskosten durch eine Reduktion der im anbietenden Unternehmen zu organisierenden Variantenvielfalt (interne Variantenvielfalt) minimiert werden [Ble11; Sch15; SLM13]. Gegenwärtig sind elektromechanische Antriebssysteme häufig als Einzelmotorantriebssysteme (engl. Single-Motor Drive Systems – SMDS) bestehend aus einem Motor, zugehöriger Leistungselektronik und einem Getriebe konzipiert. Wird der Modularitätsgedanke konsequent verfolgt, um kundenindividuelle Lösungen zu realisieren und dem Wunsch nach hoher Effizienz und geringen Lebenszykluskosten Rechnung zu tragen, so kann dies zu Mehrmotorenantriebssystemen (engl. Multi-Motor Drive Systems – MMDS) führen. Sie stellen einen konkreten Lösungsansatz dar, um den zuvor beschriebenen Herausforderungen zu begegnen. Ihr Einsatz erfordert aufgrund der systeminhärenten Freiheitsgrade allerdings ein Umdenken während der Konzeptions- und Betriebsphase. In diesem und zwei nachfolgenden Beiträgen werden MMDS, ihre inhärenten Freiheitsgrade und konkrete Ansätze zu deren gezielter Nutzung vorgestellt. MMDS stellen eines der Hauptforschungsfelder des Lehrstuhls für Konstruktions- und Antriebstechnik (KAt) der Universität Paderborn dar. Die vorgestellten Informationen reprä- 84 antriebstechnik 3/2016

MEHRMOTORENANTRIEBSSYSTEME sentieren sowohl die Ergebnisse mehrjähriger Forschungsaktivitäten als auch einen Überblick über den aktuellen Stand und zukünftige Ziele der Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet. Aufbau und Struktur von Mehrmotorenantriebssystemen Mehrmotorenantriebssysteme sind definiert als die Kombination von zwei oder mehr Motoren, die gemeinsam einen Arbeitsprozess antreiben und sich aufgrund ihrer Verkopplung in ihrem Betriebsverhalten gegenseitig beeinflussen [SHZ14]. Sofern vorhanden, zählen alle elektrischen, elektronischen und mechanischen Elemente, die am Leistungsfluss von dem elektrischen Versorgungsnetz bis zu dem Arbeitsprozess beteiligt sind, zu dem MMDS (Bild 02). Das Gesamtsystem kann in die folgenden fünf Bereiche untergliedert werden: n Das elektrische Versorgungsnetz stellt die Energiequelle – und im Falle eines rückspeisefähigen Systems ebenfalls die Energiesenke – des MMDS dar. n Der Bereich der Elektronik umfasst alle Elemente, die die von dem elektrischen Versorgungsnetz bereitgestellte Energie transformieren sowie die Komponenten der Datenverarbeitung und der Regelung. Es können sowohl Einzelumrichter für jeden Motor als auch modulare Frequenzumrichterbaureihen aus getrennten Gleichrichter- und Wechselrichtermodulen verwendet werden. Die Datenverarbeitung und die Regelung werden durch eine SPS, eine Soft-SPS, ein übergeordnetes Computersystem oder eine Kombination dieser Komponenten übernommen. n Die Motoren können elektrische Maschinen beliebiger Bauweise und beliebiger Leistungsklasse sein. Innerhalb eines MMDS können unterschiedliche Maschinenbauweisen und Leistungsklassen miteinander kombiniert werden. n Das mechanische Übertragungsglied verkoppelt die Motoren des MMDS miteinander. Dabei ist zu beachten, dass dieses nicht zwangsläufig als Getriebe ausgeführt sein muss. n Der Arbeitsprozess wird von dem MMDS angetrieben. Im allgemeinen Fall wird es sich um einen leistungsvariablen Arbeitsprozess handeln, bei dem während der Prozesszeit sowohl Drehmoment als auch Drehzahl variieren. In Abhängigkeit des mechanischen Übertragungsgliedes lassen sich die drei Verkopplungsarten n mechanisch starre Kopplung, n mechanisch elastische Kopplung und n technologische Kopplung unterscheiden [SHZ14; JBM06]. Eine mechanisch starre Kopplung liegt vor, wenn eine Approximation der gegenseitigen Beeinflussung der Motoren durch ein reines Proportionalverhalten möglich ist. Bei einer mechanisch elastischen Kopplung hingegen muss die gegenseitige Beeinflussung der Motoren durch ein ausgeprägtes PT n -Verhalten (Proportionalverhalten mit Verzögerungsanteil n-ter Ordnung) berücksichtigt werden. Eine technologische Kopplung wiederum liegt dann vor, wenn keine direkte mechanische Beeinflussung der Motoren stattfindet, sondern eine Kopplung auf informationeller Ebene existiert, wie sie z. B. bei Gelenkarmrobotern mit einem Motor je Bewegungsachse auftritt. Aufgrund dieser Definition gibt es viele unterschiedliche Ausprägungen von MMDS, die für verschiedenste Arbeitsprozesse geeignet sind. Häufig wird das mechanische Übertragungsglied ein Summa- 02 Schematische Struktur eines allgemeinen MMDS tionsgetriebe sein, womit eine mechanisch starre Kopplung der Motoren vorliegt. Weiterhin werden für viele industrielle Arbeitsprozesse vornehmlich Asynchronmaschinen verwendet werden. Dieser Antriebssystemaufbau wird den Großteil der industriellen Anwendungen abdecken. Daher liegt der Fokus dieser Beitragsreihe auf derartigen Systemen. Systeminhärente Freiheitsgrade Aufgrund ihrer Struktur besitzen MMDS gegenüber SMDS erweiterte systeminhärente Freiheitsgrade, die sowohl während der Konzeptionsphase als auch während des Betriebs berücksichtigt werden müssen. Die Freiheitsgrade in der Konzeptionsphase betreffen hauptsächlich die Auswahl der zu verwendenden Komponenten. Das folgende Gedankenexperiment soll diese Freiheitsgrade veranschaulichen. Plant ein Antriebstechnikhersteller eine neue Antriebssystembaureihe mit den Nennleistungen 1 x P n und 2 x P n , so sieht das konventionelle Vorgehen für die Konzeption einer SMDS-Baureihe die Auswahl von zwei Motoren entsprechender Nennleistungen, die Auswahl der motorspezifischen Leistungselektronik und die Konzeption von zwei Getrieben vor. Wird dieselbe Baureihe hingegen unter Berücksichtigung eines MMDS-Konzeptes geplant, so werden während der Konzeptionsphase ein Motor der Nennleistung 1 x P n und ein entsprechender Frequenzumrichter ausgewählt. Zusätzlich wird ein Getriebe konzipiert, welches in zwei Varianten – mit einer oder mit zwei Eingangswellen – gefertigt werden kann (Bild 03). Die Eingangswellen und die Ausgangswelle sind dabei für beide Getriebevarianten identisch. Über das gesamte Produktportfolio hinweg muss durch eine geeignet gewählte Stufung der Baureihen sichergestellt werden, dass modularitätsbedingte Überdimensionierungen mechanischer Bauteile in möglichst geringem Umfang auftreten. Beide Ansätze sind in der Lage, die geforderte externe Variantenvielfalt bereitzustellen. Es ist allerdings ersichtlich, dass bei Verwendung des MMDS-Konzeptes eine geringere interne Variantenvielfalt und ein höherer Gleichteilegrad innerhalb der Baureihe entstehen. Hieraus resultieren für den Antriebstechnikhersteller Kostenvorteile n im Einkauf aufgrund von Skaleneffekten, n in der Produktion und Logistik aufgrund von bekannten und standardisiert handhabbaren Komponenten, n im Vertrieb durch eine gesteigerte Konfigurationsfähigkeit der Produkte und eine erhöhte Liefertreue n sowie in der internen Organisation der Leistungserstellung durch ein vereinfachtes Produktdatenmanagement. antriebstechnik 3/2016 85

Aktuelle Ausgabe

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