Wie eine zeitgemäße Wahl der Antriebstechnik aussieht

Die aktuellen Diskussionen zum Thema Klimaschutz und die damit verbundene Verringerung des weltweiten CO₂-Ausstoßes sind die bestimmenden Treiber bei der Weiterentwicklung von elektrischen Antriebssystemen. Lag der Fokus in der Vergangenheit oftmals auf der Effizienzsteigerung von einzelnen Komponenten, so liegt er heute immer stärker auf dem Gesamtsystem, da optimierte Systemkonfigurationen in Summe höhere Effizienzsteigerungen ermög­lichen. Die Integration von Funktionen und Intelligenz in Antriebe und deren Komponenten bringt dem Maschinen- und Anlagenbau zusätzliche Vorteile.

Großes Potenzial bezüglich Klima- und Umweltschutz liegt in der Abkehr von ungeregelten Antrieben. Der Einsatz von Frequenzumrichtern spart in diversen Anwendungen viel Energie. Vor allem, wenn in ihnen bereits applikationsspezifische Funktionen integriert sind. Ein Beispiel hierfür ist der Drive Controller Combivert F6 von KEB Automation. Dieser regelt nicht nur unterschiedliche Motortechnologien wie Asynchron-, Synchronservo-, Synchronreluktanz-, IPM-, Torque-, Li­near- und Highspeed-Motoren. Er ist auch mit einer Funktion zur Servopumpen-Regelung ausgestattet. Diese Pumpen sind die optimale Lösung für Hydrauliksysteme mit hochdynamischen regelungstechnischen Anforderungen, wie sie seit mehr als einem Jahrzehnt in Spritzgießmaschinen genutzt werden.

Das Einsparpotenzial des gesamten Hydrauliksystems ist dabei enorm, wie sich beispielsweise in der Verbindung mit einem KEB-Servomotor der Serie DL4 zeigt. Durch die Anpassung der Pumpendrehzahl im Teillastbereich sowie außerhalb des Arbeitszyklus, in Kombination mit einer Volumenstrom- oder Druckregelung direkt über das Pumpensystem, lassen sich bis zu 70 % Energie einsparen. Zudem lassen sich durch die systemgegebenen Möglichkeiten des Multi-Hydraulik-Selektors – wie das Nutzen höherer Drehzahlen – Einsparungen bei der Zykluszeit oder der Pumpengröße realisieren.

Auch in der Drucklufterzeugung lassen sich Effizienzsteigerungen mithilfe von direkt angetriebenen Turbokompressoren/-verdichtern erzielen. Frequenzumrichter, die speziell für den Betrieb von Hochgeschwindigkeitsmotoren konzipiert sind, bieten dabei zusätzliche Potenziale, die Systemeigenschaften signifikant zu verbessern.

Während die meisten Standard-Umrichter in den höheren Leistungsklassen die bekannte Zwei-Level-Pulsweitenmodulation mit maximal 8 kHz Schaltfrequenz verwenden und dadurch in den meisten Hochgeschwindigkeitsanwendungen LC-Filter oder Drosseln notwendig sind, um die im Motor entstehenden Zusatzverluste zu minimieren, lassen sich mit den SD2M-Frequenzumrichtern von Sieb & Meyer Anwendungen mit hohen Drehzahlen auch in kompakten Bauräumen realisieren.

Dass diese in den meisten Fällen ohne zusätzliche Motorfilterelemente auskommen, liegt zum einen an ihrer Drei-Level-Technologie, zum anderen daran, dass sie standardmäßig PWM-Schaltfrequenzen bis 16 kHz liefern. Beim Einsatz des SD2M reduzieren sich in direktem Vergleich zu herkömmlichen Lösungen die umrichterbedingten Zusatzverluste im Rotor um bis zu 90 %. Wärme kann so erst gar nicht entstehen.

Ein Trend, der schon seit einigen Jahren anhält, scheint sich gerade zu beschleunigen: Besonders in den Bereichen Intralogistik, also in AGVs und Shuttles, in der Automatisierungstechnik, im Gerätebau und der Medizintechnik sind integrierte DC-Servomotoren stark nachgefragt. Winzige Vertreter für den Einsatz in Prothesen, Exoskeletten oder auch in Robotern sind zum Beispiel die Minimotoren der Serie SVTN A, in denen Servotecnica hohe Leistung und Dynamik bei kompakten Abmessungen vereint hat. Diese Eigenschaften resultieren aus dem fehlenden Rastmoment, einer geringen Drehmomentwelligkeit, der linearen Korrelation zwischen Drehzahl und Drehmoment sowie der geringen Massenträgheit. Zudem verbessern die kleineren Gewichte und Abmessungen die Dynamik. So sind die bürstenlosen Minimotoren mit Durchmessern von 12 bis 40 mm und Leistungen bis 400 W wirtschaftlich, langlebig und effizient. Sie können mit Hallsensoren ausgestattet werden und bieten optional die Möglichkeit, optische oder magnetische Drehgeber zu montieren, um die Drehzahl hochgenau zu regeln. Trotz ihrer Größe sind sie auch mit integrierter Elektronik und Feldbusanschluss verfügbar.

Auch wenn es integrierte DC-Servomotoren auf Basis bürstenloser Gleichstrommotoren schon seit rund 20 Jahren gibt, ist die Nachfrage nach hoch integrierten Varianten deshalb so stark gestiegen, da Maschinen und Anlagen immer flexibler und kompakter werden müssen. „Flexibilität wird dadurch erreicht, dass immer mehr Funktionen integriert werden“, erklärt Michael Burger, Produktmanager bei Dunkermotoren. Darin sieht er auch einen entscheidenden Vorteil: „Unterschiedlichste Applikationen können somit mit einem einzigen Motor abgedeckt werden.“ Motoren mit integrierter Elektronik können nicht nur individuell parametriert und in sämtlichen Betriebsarten, also Drehzahl-, Strom- und Positionsregelung, betrieben werden. Sie lassen sich durch komplette Ablaufprogramme auch weiter individualisieren, die autark in den Motoren ablaufen.

Komplettlösungen in Form von Aktuatoren beziehungsweise integrierten Systemen sowie kundenspezifische Baugruppen zur Integration in die Bewegungsachse durch die Anwender selbst – das ist es, was die heute bedienten Branchen benötigen. Einsetzbar als Komplett­aktuator und als sogenanntes „Motor Part Set“ will Harmonic Drive mit der Technologieplattform BHA beiden Ansprüchen gerecht werden. Die Servoantriebe der Baureihe BHA sind eine Kombination aus hochdynamischen, kompakten Synchron-Servomotoren und spielfreien Getrieben mit Abtriebslager.

Die Servoantriebe mit Hohlwelle stellen eine fertige Lösung dar mit geringem Integrationsaufwand für den Betrieb an industrieüblichen Umrichtern oder Regelgeräten für Schutzkleinspannung. Die Baureihe ist auch Plattform für den Smart-Aktuator IHD, der ein spielfreies Getriebe, einen Servo-Motor, ein duales Motorfeedbacksystem zur Positionsmessung und einen Motion Controller in einer fertigen Antriebslösung umfasst. Dank thermischer Optimierung seines Designs erfüllt der Smart-Aktuator alle Voraussetzungen für Hochleistungsanwendungen im Bereich stationärer und mobiler Antriebstechnik. Für zukünftige smarte Anwendungen wie Condition Monitoring verfügt das IHD-System zudem über einen Applikationsprozessor.

Höhere Effizienz bei kleinerem Bauraum und geringerem Gewicht – so lautet die Vorgabe für moderne Maschinenkomponenten. Und das gilt auch für Kupplungen. Als wichtige Verbindungselemente haben sie einen entscheidenden Einfluss auf das Verhalten des Antriebsstrangs und letztlich auch auf das Gesamtsystem. Wenn es um die Herausforderungen bei hochdynamischen Vorschubachsen in Werkzeug- und Verzahnungsmaschinen, Automatisierungsanlagen oder anspruchsvollen Antrieben im allgemeinen Maschinenbau geht, dann sind spielfreie, torsionssteife Metallbalgkupplungen gut geeignet, um diesen mit hoher Positioniergenauigkeit zu begegnen. Bei nur sehr geringen Rückstellkräften gleichen Metallbalgkupplungen fertigungsbedingte axiale, angulare oder laterale Lageabweichungen an An- und Antriebswelle aus. Damit verlängern sie die Lebensdauer der Lager beträchtlich. Diese Eigenschaft kommt zusammen mit der Langlebigkeit und Wartungsfreiheit der Kupplung besonders zum Tragen, wenn es sich um Produktionsmaschinen im Dauerbetrieb handelt.

Wie groß ihr Einfluss auf den Antrieb als Gesamtsystem betrachtet ist, zeigen Entwicklungen aus dem Hause KBK Antriebstechnik. Statt des ursprünglichen Kupplungsmaterials Stahl verwendet der Hersteller hochfestes Aluminium. Mit rund 50 % weniger Gewicht erreicht dieses Material die gleichen Übertragungs- und Festigkeitswerte, allerdings können Anwender dadurch auf kleinere und günstigere Antriebe zurückgreifen und damit die Betriebskosten senken. Weiterer Vorteil im Sinne der Energieeffizienz: Das reduzierte Gewicht dieser Welle-Nabe-Verbindung verringert ihr Massenträgheitsmoment und spart damit Energie beim Beschleunigen und Abbremsen.

Den gesamten Antriebsstrang im Hinblick auf Drehschwingungen zu optimieren, das ist Aufgabe des Elastomerkranzes, dem sogenannten Ausgleichselement der Elastomerkupplung. Die Besonderheit an Elastomer-Präzisionskupplungen: Sie wirken schwingungsdämpfend und punkten gleichzeitig mit einer guten Torsionssteife.

Für Highspeed-Anwendungen wie Spindelantriebe hat R+W Antriebselemente die Elastomerkupplung SP6 entwickelt, deren Spielfreiheit durch die Druckvorspannung des Elastomerkranzes gewährleistet ist. Der Hersteller bietet nicht nur für diverse Anwendungsgebiete wie beispielsweise in der Servoantriebstechnik oder bei Automatisierungsanlagen passende Elastomermodelle, sondern für seine Präzisions- und Industriekupplungen auch die entsprechende Sensorik, um präzise Messdaten zu Drehmoment, Drehzahl, Temperatur und Beschleunigung zu erhalten. Damit lassen sich sowohl Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten proaktiv planen als auch drohende Probleme wie Überlastung des Antriebs, falsche Dimensionierungen oder erhöhter Verschleiß umgehend erkennen. Diese Intelligenz erweitert auch die Anwendungsmöglichkeiten elektrischer Aktuatoren in der industriellen Automation.

In den meisten Industrieanwendungen kommt für die Achssteuerung einer der drei gängigsten Aktuatortypen zum Einsatz. Ob pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch – sie alle benötigen eine elektrische Ansteuerung zum Starten und Stoppen der Aus- und Einfahrbewegungen. Ebenso sind alle drei Varianten vollständig gekapselt und werden auf ähnliche Weise montiert. Allerdings unterscheiden sie sich zum Teil erheblich in puncto Kosten, Installationsaufwand, Energieeffizienz, Leistungsdichte, Intelligenz und Wartungsfreundlichkeit.

Während pneumatische Aktuatoren vorrangig in einfachen Anwendungen genutzt werden, bei denen relativ leichte Lasten zwischen zwei Punkten hin- und herbewegt werden sollen, sind hydraulische Aktuatoren möglicherweise die beste Wahl, wenn es in erster Linie um eine hohe Leistungsdichte geht. Zu den Vorzügen elektrischer Aktuatoren gehören die geringen Betriebskosten, die aus einem höheren Wirkungsgrad resultieren. Sie müssen demnach weniger häufig ausgetauscht werden.

Je mehr Anlagengeräte mit Intelligenz ausgestattet werden, umso häufiger werden Aktuatoren in neuartigen Anwendungen zum Einsatz kommen. Pneumatische und hydraulische Aktuatoren werden nach wie vor für Anwendungen mit hohen Geschwindigkeiten und hoher Einschaltdauer bei möglichst geringen Kosten bevorzugt werden. Elektrische Aktuatoren punkten dafür eher bei der Integration, Präzision, Wartungsfreundlichkeit und niedrigen Betriebskosten. Zumal sie immer smarter werden.

Obwohl die Integration programmierbarer Mikrocontroller in Achssteuergeräte schon vor etwa zehn Jahren eine Welle von Innovationen ausgelöst hat, beginnen sich diese gerade erst zu etablieren. Auslöser dafür: eine neue Generation firmware-programmierbarer Aktuatoren, die zur Einbindung in Standard-Netzwerkarchitekturen entwickelt wurden. Diese smarten Aktuatoren erweitern die Automatisierung der Achssteuerung um neue Funktionen und ermöglichen gleichzeitig eine absolute Positionsrückmeldung, Niederstromschalten, den synchronen Lastenausgleich sowie eine verbesserte Überwachung und Diagnose bei hoher Umgebungsfestigkeit. Besonders interessant sind die smarten Aktuatoren für Logistik-Anwendungen: Aufgaben wie das Heben oder Senken eines Förderbands zur Handhabung von Kartons verschiedener Größen werden zu selten ausgeführt, als dass sich eine Automatisierung finanziell rechtfertigen würde. Da fast keine Infrastruktur notwendig ist, lässt sich diese Aufgabe mit smarten Aktuatoren nun kosteneffizient lösen.