Integrierte Effizienz

Technik | Antriebstechnik

Servoaktuatoren – Der Wirkungsgrad einzelner Antriebskomponenten bietet kaum noch Steigerungspotenzial. Hochintegrierte Aktuatoren mit einer optimierten Koppelung von Motor und Getriebe ermöglichen dennoch eine weitere Effizienzsteigerung.

30. Oktober 2013

Einer der wichtigsten Innovationstreiber in der elektrischen Antriebstechnik für industrielle Anwendungen in den nächsten Jahren und Jahrzehnten ist die Optimierung der Energieeffizienz, schließlich verursachen Motoren und Antriebe rund 66 Prozent des Gesamt-Energieverbrauchs der Industrie von jährlich mehr als 151 Terawattstunden allein in Deutschland. Laut Untersuchungen des Branchenverbands ZVEI bietet die Antriebstechnik ein Potenzial zur Verbrauchsreduzierung von etwa 15 Prozent, also etwa 22 Terawattstunden pro Jahr. Dies ermöglicht die Einsparung von mehr als 2,5 Milliarden Euro an Energiekosten.

Die Einsparpotenziale betreffen sämtliche antriebstechnischen Komponenten, vom Frequenzumrichter über Motoren, Getriebe und Mechanik bis zur Auslegung der Bewegungsprofile. Allein der mechanische Teil des Antriebsstranges bietet dabei Energiesparmöglichkeiten bis zu 30 Prozent, jedoch sind die Verbesserungspotenziale hinsichtlich der Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten relativ gering, da diese bereits einen hohen Reifegrad besitzen. So besitzen Planetengetriebe pro Stufe einen Wirkungsgrad von 97 Prozent, bei modernen Synchron-Servomotoren liegt der Wirkungsgrad bei rund 92 Prozent, und auch bei aktuellen Leistungsteilen liegen die Verluste lediglich bei ca. fünf Prozent, die hauptsächlich aus den Schalt- und Durchlassvorgängen stammen.

Das größte Einsparpotenzial verspricht der Einsatz von kleineren Antrieben mit geringen Trägheitsmomenten. Je geringer der Anteil des Motors zur Beschleunigung seiner Eigenträgheit an der Gesamtleistung ist, umso mehr von der Gesamtleistung gelangt in die Applikation. Weniger Eigenträgheit bedeutet zum einen geringere Gesamt-Massenträgheiten im Antriebsstrang, zum anderen erhöht sich dadurch auch der sogenannte Kopplungsfaktor ?, also das Verhältnis der Fremdträgsheitsmomente zu den Eigenträgheitsmomenten.

Dieser Kopplungsfaktor korreliert – wenn auch nicht linear – mit dem Wirkungsgrad ?, also dem Verhältnis der abgegebenen Leistung zur aufgenommenen Leistung. Bei einer klassischen Antriebsauslegung wird in der Regel ein Kopplungsfaktor zwischen 1 und 3 angestrebt, entsprechend einem Wirkungsgrad von 50 bis 75 Prozent, da sich hier mit geringem Aufwand ein robustes Regelverhalten im Regelsystem erzielen lässt. Der Grund hierfür sind mechanische Elastizitäten aufgrund der Verbindung von Motor und Getriebe mittels einer Wellenkupplung, die zum einen das Trägheitsmoment erhöht und zugleich die mechanische Steifigkeit reduziert.

Direkt gekoppelt

Einen neuen Weg geht deshalb der Antriebsspezialist Wittenstein Motion Control aus Igersheim bei seinen neuen Servoaktuatoren der Baureihe TPM+: Bei diesen mechatronischen Systemeinheiten aus Motor und Getriebe wird die Verbindung über eine Wellenkupplung bewusst vermieden und das Sonnenrad des Getriebes direkt in die Motorwelle eingepresst. In Verbindung mit der hohen Verdreh- und Kippsteifigkeit und dem geringen Verdrehspiel der Wittenstein-Planetengetriebe erreichen die Aktuatoren damit Kopplungsfaktoren von über 10, entsprechend einem Gesamtwirkungsgrad von über 90 Prozent.

Bereits tausendfach im Einsatz sind die Servoaktuatoren der Baureihe TPM+ Dynamics, die vor allem rotative Applikationen in der Robotik und in Verpackungsmaschinen mit höchster Effizienz umsetzen. Durch die sehr enge Koppelung von Motor und Getriebe durch das besondere konstruktive Prinzip benötigt diese Antriebseinheit einen rund 50 Prozent kürzeren Einbauraum im Vergleich zu marktüblichen Motor-Getriebe-Kombinationen.

Höchste Leistungsdichte

Eine noch höhere Leistungsdichte bietet die Baureihe TPM+ power mit besonders hohen Drehmomentwerten. Einsatzgebiete in Automation und Bearbeitung sind zum Beispiel hochdynamische lineare Anwendungen wie Ritzel-Zahnstangen-Systeme oder Spindeln sowie rotative Applikationen mit hohen Massen und Störkräften, die ein Mehr an Drehmoment benötigen oder eine höhere Regelgüte erfordern. Die feine Abstufung der Übersetzungen erlaubt eine optimale Auslegung des Aktuators hinsichtlich Energieeffizienz und Dynamik.

Der Einsatz der Schrägverzahnung im Getriebe reduziert die Zahneingriffsfrequenzen auf ein Minimum und gewährleistet so höchste Laufruhe am Abtrieb.

Ihre herausragende Leistungsdichte erreichen die permanentmagneterregten Synchronmotoren der TPM+ power-Baureihe durch den Einsatz von Seltenerden-Magnetmaterial sowie vor allem durch die hohe Polzahl und den hohen Füllfaktor in den Nuten. Die dünnen Bleche in den Paketen reduzieren die Wirbelstromverluste und verbessern so die Leistungs- und Energiebilanz weiter. Die spezielle geometrische Gestaltung verringert das permanentmagnetische Rastmoment zwischen den Magneten des Rotors und den Polschuhen des Stators auf ein Minimum.

Extrem verdrehsteif sind die Aktuatoren der Serie TPM+ high torque, die in vier Baugrößen und mit Übersetzungen von 22 bis 220 verfügbar sind. Die Getriebe sind mit einem vierten Planetenrad in der Abtriebsstufe ausgerüstet, wodurch die Steifigkeit gegenüber den Werten von Standardgetrieben um ca. 180 Prozent zunimmt. Zudem steigt durch die zusätzlichen Zahneingriffe das maximale Beschleunigungsmoment in der jeweiligen Baugröße im Vergleich zum TPM dynamic nochmals um bis zu 90 Prozent.

Effiziente Auslegung nach Maß

Die hohe Leistungsdichte erlaubt bei allen Servoaktuatoren der Baureihe TPM+ eine dynamik-optimierte Auswahl von Baugröße, Übersetzung und Abtriebsdrehzahl mit Hilfe der Auslegungssoftware cymex 3. Der integrierte Energie-Assistent berechnet dabei zugleich dynamisch den Energiebedarf von Antriebsalternativen, erkennt mögliche Downsizing-Potenziale und hilft damit, den gesamten Antriebsstrang energieeffizient auszulegen – bis hin zur Wirtschaftlichkeitskalkulation einer möglichen Netzrückspeisung durch den Antrieb.

Auf einen Blick

- Die Servoaktuatoren der Baureihe TPM+ des Mechatronikspezialisten Wittenstein Motion Control vereinen permanenterregte Synchronservomotoren von höchster Leistungsdichte und schräg verzahnte Präzisions-Planetengetriebe, die sich durch minimales Flankenspiel sowie hohe Verdreh- und Kippsteifigkeit auszeichnen.

- Die direkte Koppelung zwischen Motor und Getriebe ohne dazwischen liegende Wellenkupplung reduziert das Eigenträgheitsmoment des Antriebs und erhöht damit den Gesamtwirkungsgrad deutlich.

Erschienen in Ausgabe: 08/2013