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Aktuelles über den Motor

Servomotor, DC Motor, Brushless Motor, Gleichstrommotor, Torquemotor, Schrittmotor

IdamFachartikel

EMO Halle 7, Stand C34

Die rotative High-Performance-Direktantriebsserie RKI von Idam bietet bisher nicht erreichbare Leistungsmerkmale. Eine Steigerung der Drehzahl von mehr als 400 % und ein etwa 30 % höheres Drehmoment machen die Serie für den Einsatz in Werkzeugmaschinen äußerst attraktiv. Aber auch Downsizing-Optionen überzeugen: So können bei gleicher Leistung Motorengrößen angepasst und Kosten für Umrichter und Motor reduziert werden. In Kombination mit der Axial-Schrägkugellager-Generation ZKLDF..B bilden RKI Torquemotoren weltweit die kommende Leistungsspitze für Rundtischlagerungen ab.



Direktantriebe haben sich in den letzten 20 Jahren vom Spezialmotor für Einzelanwendungen zum Serienprodukt entwickelt. Schritt für Schritt wurde die Technologie optimiert, und heutige marktübliche Motoren haben einen technischen Stand erreicht, der kaum mehr in großen Würfen zu verbessern ist. Die erreichte Kraft-  bzw. Momenten-Dichte ist inzwischen für die meisten Anwendungen ausreichend. Einziges nennenswertes Limit ist die Drehzahlbeschränkung durch Wirbelstromverluste im Motor. Immer, wenn sich ein Magnet an einer Spule vorbeibewegt oder ein Strom durch die Spule fließt, erzeugt das magnetische Feld einen Strom, der der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt. Konkret bedeutet dies, die Eisenteile des Motors erwärmen sich. Dies ist vergleichbar mit der Wirbelstrombremse einer Straßenbahn. Bewegungsenergie wird in Wärme umgesetzt. Der Motor wird dadurch zusätzlich thermisch belastet. Grobe Eckwerte sind bei konventionellen Motoren etwa 150 Hz und bei High-Speed-Systemen 300 bis 700 Hz. Berechnet wird dieser Wert über die Drehzahl pro Sekunde (n) und die Polpaarzahl (2p) des Motors ( f = n * 2p ).

Aufbau der Direktantriebe

Idam2Betrachtet man einen Standardmotor RI und vergleicht ihn mit der Serie RKI, fällt auf, dass die in der Standardausführung noch eingesetzten Oberflächenmagneten am Rotor verschwunden sind. Der neue RKI Rotor besteht aus einem geblechten Stahlpaket, in dem viele Magnete eingebettet sind. Man spricht hier auch von einem Magnetsystem. Dieses bündelt den magnetischen Fluss (B) und erzeugt ca. 30 % mehr „B“ als bei vergleichbaren Oberflächenmagneten. Die Formel, mit der die erzeugte Kraft in einem Motor berechnet werden kann, zeigt, dass die 30 % mehr magnetischer Fluss (B) direkt proportional in die erzeugte Kraft eingehen. Man kann von der gleichen Strombelastbarkeit (I) und Spulenlänge (l) ausgehen.

=>   F = B * I * l

Es zeigt sich also, dass sich lediglich durch Tausch des Rotors bis zu 30 % mehr Moment aus einen Motor (Stator + Rotor) generieren lässt. Dieses zusätzlich gewonnene Moment hat wiederum Einfluss auf die Gegenspannung und somit auf die Drehzahlanpassung des Gesamtsystems.

Immer wenn sich ein Magnet an einer Spule vorbei bewegt, induziert das magnetische Feld eine Spannung in der Spule. Die Höhe dieser Spannung ist von der Geschwindigkeit des Magneten abhängig. Je höher die Relativgeschwindigkeit zwischen beiden ist, also je schneller sich das Feld ändert, umso größer wird die induzierte Spannung. Das Problem dieses Effekts besteht darin, dass es bei hohen Gegenspannungen nicht mehr möglich ist, einen Strom in den Motor einzuprägen. Es kommt in diesem Fall meist zu starken Schwingungen, bevor die Achse aus der Regelung fällt.

Der Zeitpunkt, zu dem dieser Effekt einsetzt, ist maßgeblich von zwei Werten abhängig: von der Zwischenkreisspannung des Umrichters und von der Induktivität / Gegenspannungskonstante des Motors. Die Zwischenkreisspannung ist meist bei 540 bis 600 V in Europa und vom Umrichterfabrikat abhängig. Das bedeutet, die einzige Möglichkeit, die Drehzahl eines Motors zu verändern, ist die Wicklung. Durch Verarbeitung eines stärkeren Drahtes verringert sich die Induktivität des Motors. In etwa dem Maße, in dem die Induktivität sinkt, steigt die benötigte Stromstärke des Motors an (die halbe Induktivität entspricht annähernd dem doppelten Strom).

Tests: Moment, Lastpulsation und Rastkräfte

idam3Jedes System wird auf bestimmte Stromdichten in der Wicklung ausgelegt. Um das Arbeitsprinzip weiterhin sicherzustellen, wird beispielsweise nicht 1 A durch 50 Windungen mit 1 mm² geschickt, sondern es werden 2 A durch 25 Windungen 2 mm² geschickt. Somit bleibt die Stromdichte innerhalb des Motors gleich.

Im direkten Vergleich sieht man einen RI-Standard mit WL-Wicklung, RKI mit gleicher Wicklung und einen RKI mit Hochstromwicklung Zx. Hier ist gut erkennbar, wie bei gleicher Wicklung WL die Drehzahl bei der RKI-Variante zurückgeht. Die RKI-Reihe stellt mehr Moment und deutlich mehr Drehzahl bereitgestellt. Mit der Wicklungsanpassung kann die mechanische Leistung verfünffacht werden. Betrachtet man nur die Effizienz und somit die Wärmeverlustleistung bei einem abgegebenen Moment, sieht man eine weitere signifikante Verbesserung. Der direkte Vergleich ist mit Hilfe der Motorenkonstante möglich. Die Motorenkonstante Km (Einheit in Nm/√W) sagt aus, wie viel Wärme bei einem bestimmten Moment entsteht.

Verlustleistung in W:          Pv = (M / Km)²

d. h. bei halber Km Konstante ist ein vierfacher Verlust gegeben. Ein direkter Vergleich der RI- und RKI-Baureihen zeigt, dass bis zu 60 % der Verlustleistung bei gleichem abgegebenen Moment eingespart werden kann. Es entsteht weniger Wärme. Dementsprechend muss weniger gekühlt werden, was einen Vorteil darstellt, der sich direkt in den Betriebskosten  wieder findet.

Anwendungen in der Werkzeugmaschine

All diese Vorteile prädestinieren die RKI-Serie für Einsätze in langsam und schnell drehenden Rundachsen und Spindelanwendungen mit hoher Leistung. Durch die Leistungssteigerung ist ein Downsizing oder Upgrade der Anwendung möglich, ohne grundlegend die Konstruktion zu verändern. Die Vorteile der RKI-Motorenreihe in der Werkzeugmaschine, insbesondere für langsam und schnell drehende Rundachsen überzeugen auf einen Blick:

* Moment: Steigerung + 30 %
* Drehzahl: Steigerung  + 400 %
* mechanisch: Steigerung + 400 %
* Total Cost of Ownersphip: Kostenreduzierung um bis zu 60 %
* Bauraum: Außendurchmesser gleich
* Kosten: bei gleicher Leistung gleich.

Mit der Kombination von RKI-Direktantrieb mit dem Schaeffler ZKLDF..B Axial-Schrägkugellager haben die Hersteller von Werkzeugmaschinen und ihrer Subsysteme die Option für den Aufbau der leistungsstärksten Rundachse der Welt.

Fünf-Jahres-Ausblick

Marko Pfeiffer, Leiter Vertrieb der INA Drives & Mechatronics GmbH & Co. oHG, gibt einen Ausblick auf die Entwicklungsmöglichkeiten der RKI Motorenserie in den nächsten 4 bis 6 Jahren:

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