Der richtige Dreh

Direktantriebe - Moderne High Torque-Motoren eignen sich für zahlreiche Anwendungen. Bei Linearmotoren entlastet zudem die Kompensation der Anziehungskräfte zwischen Motor und Magneten die Führung.

10. September 2007

Die Zeit der »Generalisten« ist auch in der Antriebstechnik vorbei, und gerade bei den Direktantrieben hat die Spezialisierung in den vergangenen Jahren nicht Halt gemacht. So gibt es zum Beispiel den »Torquemotor für jede Anwendung« längst nicht mehr. Bei dieser Motorenklasse können schon Änderungen kleiner Details im Aufbau die Eigenschaften eines Motors deutlich beeinflussen - und zwar positiv wie negativ. Die Motoren der heutigen zweiten Generation sind deshalb auf bestimmte Eigenschaften hin optimiert, wie beispielsweise einen besonders ruhigen Gleichlauf, besonders hohe Drehzahlen, ein extrem schnelles Regelverhalten oder höchste Effizienz im gegebenen Bauraum. Bei der Wahl des geeigneten Motors macht es also einen Unterschied, ob er etwa für eine hochpräzise Schleifmaschine oder als Radnabenmotor eines Fahrzeugs zum Einsatz kommen soll. Direktantriebstechnikspezialisten wie die INA Drives & Mechatronics GmbH (IDAM) im thüringischen Suhl unterscheiden deshalb für rotative Anwendungen grundsätzlich vier verschiedene Motortechnologien: Genutete Motoren mit hohen Momenten (High Torque) oder hohen Drehzahlen (High Speed), nutenlose Motoren mit höchster Gleichlaufgüte sowie eisenlose Motoren ohne Rastkräfte für Anwendungen in Messmaschinen.

Angebot vom Spezialisten

Das Unternehmen aus der Schaeffler Gruppe Industrie entwickelt neben linearen und rotativen AC-Synchronmotoren und Reluktanzmotoren in einem breiten Größen- und Leistungsspektrum auch alle zu deren Betrieb erforderliche Elektronikbaugruppen wie Servoverstärker, Regler und Kompaktsteuerungen. Ein besonderes Augenmerk verdienen die Positionier- und Mehrachs-Systemlösungen sowie die Präzisionskreuztische.

Am häufigsten zum Einsatz kommen gegenwärtig klassische High-Torque-Motoren, die sich mit Außendurchmessern von mehr als zwei Metern realisieren lassen. Der Herstellerkatalog des thüringischen Unternehmens umfasst in diesem Segment insgesamt 315 verschiedene Motoren mit Drehmomenten zwischen 1 und 23.000 Newtonmeter. Entstanden ist dieses umfangreiche Sortiment unter anderem durch die konsequente Weiterentwicklung früherer Kleinserien und einmaliger Kundenlösungen, die in die heutigen Standardmotoren eingearbeitet wurden. Das entstandene Baukastensystem eröffnet zahlreiche Anwendungsfelder auch bei »Katalogware«. Details wie Kabelabgänge, Länge und Art des Anschlusskabels oder Temperatursensorkonfigurationen lassen sich individuell an die jeweilige Konstruktion anpassen.

Zweierlei Rastkräfte

Eine Schwierigkeit bei diesen Motortypen ist die Optimierung des Rastkraftverhaltens. Prinzipbedingt treten bei High Torque-Motoren nämlich zwei grundlegend verschiedene Klassen von Rastkräften auf: Die eigentliche Rastkraft, das sogenannte Cogging, beruht auf magnetischen Reaktionskräften (Reluktanzänderungen), die auch beim unbestromten Motor messbar sind. Spürbar ist diese pulsierende Gegenkraft auch beim Versuch, den Motor per Hand zu drehen. Die Rastkraft lässt sich nur teilweise mit Hilfe einer sehr schnellen Steuerung kompensieren.

Rastkraft und Lastpulsation

Die Momenten- oder auch Lastpulsation dagegen ist eine positionsabhängige Momentenkonstante. Das heißt, bei einem konstanten Strom schwankt das abgegebene Moment um einen Mittelwert. Nachweisbar ist die Lastpulsation durch Gegenspannungsmessungen oder direkte Momentmessung. Diese Pulsation lässt sich mit Hilfe marktüblicher Steuerung nicht kompensieren. Eine Auswirkung dieser beiden Eigenschaften sind meist schwingungstechnische Probleme. Bei der Verwendung in einer Bearbeitungsmaschine können zum Beispiel bei einer bestimmten Achsanordnung kurzwellige Fehler in den Oberflächen der Werkstücke entstehen, die zu teils erheblichen Problemen bei deren späterem Einsatz führen. So kann es beispielsweise vorkommen, dass ein Zahnrad für ein Getriebe nicht messbare harmonische Oberflächenfehler im Nanometerbereich aufweist, die in der späteren Anwendung eine mechanische Anregung des Systems und damit erhebliche akustische Schwingungen zur Folge haben.

Optimierter Gleichlauf

Durch Optimierung der inneren Struktur der Motoren können die Antriebstechnikspezialisten aus Thüringen diesen Effekt jedoch bei allen ihren Motoren deutlich verringern oder sogar auf ein nicht nachweisbares Niveau reduzieren. Weitere Entwicklungsschwerpunkte des Unternehmens sind die Erhöhung des Wirkungsgrads, weitere Drehzahlsteigerungen und die Reduzierung der Wärmeverlustleistung.

Linearmotoren verbessert

Grundlegend überarbeitet hat IDAM auch die Linearmotorenserie L2D. Die überarbeitete Reihe L2U erreicht bei einer Eigenmasse von etwa 45 Kilogramm eine Spitzenkraft von bis zu 13.000 Newton und erlaubt damit jetzt auch den Einsatz dieser Motoren in großen Bearbeitungszentren. Hauptvorteil dieser Motorentechnologie ist die Kompensation der magnetischen Anziehungskräfte zwischen Motor und Magneten. Erreicht wird dies durch den Aufbau des eisenbehafteten AC-Linear-Synchronmotors mit zwei sich symmetrisch gegenüberliegenden Sekundärteilen. Die damit verbundene Entlastung der Führung resultiert in einer deutlich höheren Lebensdauer, einer konstanten Genauigkeit über einen längeren Zeitraum sowie in einer deutlich verringerten Wärmeentwicklung aufgrund von Reibung. Ein weiterer Vorteil bei hochdynamischen Anwendungen liegt in den geringen Eigenmassen der dreiphasigen Motoren im Vergleich zur Nutzmasse durch einen verringerten Eisenanteil im bewegten Primärteil.

Marko Pfeiffer, IDAM/bt

Fakten:

- Die INA Drives & Mechatronics GmbH & Co. oHG (IDAM) in Suhl ist das Unternehmen der Schaeffler Gruppe Industrie für Direktantriebstechnologie.

- Zum Portfolio gehören auch Elektronikbaugruppen wie Servoverstärker, Regler und Kompaktsteuerungen.

- IDAM ist im mechatronischen Arbeitskreis der: K vertreten.

Erschienen in Ausgabe: 06/2007