Wohin geht der Weg fluidtechnischer Antriebe? Werden sie durch elektromechanische Komponenten ersetzt?

Fluidtechnische Systeme bekommen bei Linearbewegungen Konkurrenz: Elektromechanische Aktuatoren besitzen mehrere Vorteile. Bild: adobe.stock.com/WoGi

| von Markus Friese, Ewellix

Eine neue Generation elektromechanischer Aktuatoren ermöglicht Anwendern, Hydraulik- und Pneumatikzylinder vielen Anwendungen zu ersetzen, sowohl in der Fabrikautomation als auch bei mobilen Maschinen. Die Leistung, aber auch Kostenvorteile spielen eine Rolle.

Die Grafik zeigt die Leistungsdichte elektromechanischer Antriebe im Vergleich zu fluidtechnischer Antriebstechnik.
Pneumatische und hydraulische Systeme verlieren an mehreren Stellen Energie. Ein elektromechanischer Aktuator dagegen überträgt in der Regel 80 Prozent seiner Eingangsleistung. - Grafik: Ewellix

Elektromechanische Systeme sind kleiner und leichter als ihre fluidtechnischen Pendants. Pumpen, Akkumulatoren, Öltanks und Rohrleitungen entfallen, da der Motor direkt mit dem Aktuator verbunden ist. Die Systeme kommen ohne druckbeaufschlagtes Öl aus – dies verringert das Risiko von Bränden, Umweltverschmutzung und Arbeitsunfällen. Zudem arbeiten sie leiser als fluidtechnische Anlagen.

Leistung im Vergleich zur Hydraulik

Elektromechanische Systeme können mit einem breiteren Drehzahl- und Leistungsbereich arbeiten als hydraulische Anlagen und bieten eine höhere Positioniergenauigkeit bei gleichbleibender Leistung. Die Viskosität von Hydraulikölen kann sich abhängig von Laufzeit und Temperatur ändern. Elektromechanische Systeme dagegen arbeiten durchgehend mit präzisen Toleranzen. Die erprobte Wälzlagertechnologie ermöglicht es, die Lebensdauer beweglicher Teile unter bestimmten Betriebsbedingungen vorherzusagen.

Da keine zusätzlichen Steuerventile und weiteres Zubehör benötigt werden, lassen sich elektromechanische Aktuatoren in die elektronische Steuerung einer Maschine integrieren. Nimmt man darüber hinaus ihr schnelles Ansprechverhalten sowie ihre Positionier- und Wiederholgenauigkeit dazu, erleichtern elektromechanische Systeme ihren Anwendern das Programmieren komplexer Bewegungen und den Bau von Maschinen, die sich schnell anpassen lassen.

Hohe Anschaffungskosten für Elektromechanik

Der Anschaffungspreis einer elektromechanischen Anlage liegt höher als bei hydraulischen Maschinen. Betrachtet man jedoch die Gesamtkosten über den kompletten Lebenszyklus, kann die Elektromechanik wieder an Boden gewinnen: Elektromechanische Aktuatoren bieten Einsparpotenziale, die die höheren Anschaffungskosten ausgleichen können. Dafür sind sechs Faktoren verantwortlich:

1. Energieeffizienz:

Hydraulische Systeme verlieren an mehreren Stellen Energie. Insgesamt gibt ein Hydrauliksystem nur etwa 44 Prozent seiner Antriebsleistung ab. Elektromechanische Anlagen hingegen verlieren nur aufgrund der Grenzen des Motorwirkungsgrads und durch Reibung in den Getriebe- und Antriebskomponenten Energie. Ein elektromechanischer Aktuator überträgt in der Regel 80 Prozent seiner Eingangsleistung. Darüber hinaus müssen Hydraulikpumpen in den meisten Anwendungen kontinuierlich laufen, um eine angemessene Reaktionszeit der Maschine zu gewährleisten. Die Leistungsaufnahme elektromechanischer Aktuatoren bei Nichtgebrauch ist Null, und auch im Betrieb ruft er seinen maximalen Energiebedarf immer nur für einen kurzen Moment ab.

2. Reduzierte Wärmeentwicklung:

Die in hydraulischen Maschinen verlorene Energie wird in Wärme umgewandelt. In Präzisionsanwendungen, wie beispielsweise bei der Herstellung von Kunststoffprodukten, muss diese Wärme mit Hilfe von Kältemaschinen abgeführt werden. Elektrisch betriebene Maschinen benötigen aufgrund ihres höheren Wirkungsgrads nur etwa 35 Prozent der Kühlenergie einer hydraulischen Lösung.

Die Grafik zeigt, wo die Leistungsstärken von Elektromechanik, Hydraulik und Druckluft liegen.
Der Umstieg auf elektromechanische Lösungen bietet dem Anwender Vorteile bei der Leistung. - Grafik: Ewellix

3. Kürzere Zykluszeiten:

Durch die höhere Geschwindigkeit und bessere Steuerbarkeit elektromechanischer Aktuatoren können Maschinen schneller arbeiten und mehr Leistung bringen, beispielsweise beim Roboter-Punktschweißen in der Automobilindustrie. Zwischen den einzelnen Schweißpunkten muss die am Roboterarm angebrachte Zange geöffnet werden, damit der Arm an die nächste Schweißstelle rücken kann. Fluidtechnische Systeme öffnen die Zange nach jedem Schweißvorgang ganz. Elektromechanische Anlagen hingegen können so programmiert werden, dass sie sich gerade so weit öffnen, damit die Zange neu positioniert werden kann.

4. Verbesserte Materialausnutzung:

Elektrisch angetriebene Maschinen verfügen in der Regel über eine doppelt so hohe Wiederholgenauigkeit wie hydraulische Alternativen. Das steigert die Qualität und reduziert den Ausschuss.

5. Erhöhte Betriebszeit:

Elektromechanische Anlagen besitzen weniger Verschleißteile als fluidtechnische Maschinen, und alle befinden sich im Kugelgewindetrieb und im Getriebe. Hydraulische Geräte dagegen sind auf ein ganzes Netzwerk aus Ventilen, Schläuchen, Filtern und Dichtungen angewiesen. Betriebszeit und Maschinenverfügbarkeit sind deshalb bei elektromechanischen Systemen in der Regel zwei Prozent höher als bei hydraulischen Anlagen. Das steigert die Leistung.

6. Einfachere Wartung:

Für elektromechanische Maschinen fallen nur geringe laufende Betriebskosten an. Die Anwender müssen beispielsweise kein Öl, keine Filter und keine Dichtungen kaufen. Auch sie müssen kein Geld ausgeben, um Lecks und auslaufenden Flüssigkeiten vorzubeugen. Elektromechanische Systeme können zudem mit vollständig integrierten Sensoren zur Zustandsüberwachung ausgestattet werden. Diese machen das Betriebs- und Wartungspersonal auf mögliche Probleme aufmerksam, bevor sie zu einem ungeplanten Stillstand führen.

Wir wollen Ihre Meinung wissen: Welche Vor- und Nachteile sehen Sie beim Einsatz elektromechanischer Antriebe? Schreiben Sie uns unter: felix.lauther@mi-connect.de

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