Produktivität verkauft

Direktantriebe - »Hersteller von Werkzeugmaschinen verkaufen zunehmend Produktivität, Stückzahlen oder Fertigungskosten und nicht nur die einzelne Maschine.« Für Helmut Bode, Schaeffler-Gruppe, ist es klar, dass Zulieferer auf diese Herausforderungen an ihre Kunden reagieren müssen. IDAM hat reagiert.

09. August 2005

Die Suche nach Optimierungen und Partnern für das Gesamtsystem wird nach Meinung von Helmut Bode, Leiter des Branchenmanagements Produktionsmaschinen in der Schaeffler-Gruppe Industrie, bei führenden Herstellern erheblich an Gewicht gewinnen. Deshalb müssen Zulieferunternehmen genauso wie ihre Kunden den Blick immer weiter ›über den Tellerrand‹ des Teilsystems hinaus ausdehnen. Das Potenzial zur Synchronisierung der Teilsysteme bis hin zum Gesamtsystemverständnis wird verstärkt zu einem Entscheidungskriterium heranreifen. Dasselbe gilt für die dahinter stehenden Prozessketten von der Entwicklung über den Einkauf von Komponenten und Systemen bis hin zum After-Sales-Service. Das Branchenmanagement Produktionsmaschinen in der Schaeffler-Gruppe Industrie fasst dies unter dem Motto ›Added competence‹ zusammen. Die dahinter stehenden Ansätze werden auf der EMO 2005 erstmals einem breiteren Publikum vorstellt. Mit ›Added competence‹ wird der Übergang von der Zulieferung qualitativ höchstwertiger Lagerungskomponenten hin zu einem Transfer von Kompetenzen in Systemlösungen nun auch nach außen offiziell vollzogen.

Ein Beispiel für ›Added competence‹ in der Schaeffler-Gruppe ist das Unternehmen INA Drives and Mechatronics (IDAM). Spezialität des Suhler Unternehmens sind Direktantriebe. Diese haben sich als High-Tech-Antriebselemente etabliert. Dazu tragen hohe Dynamik und Präzision, höchste Positionier- und Wiederholgenauigkeit sowie Verschleißfreiheit bei. Gegenwärtig gibt es am Markt die verschiedensten Motorprinzipien für unterschiedliche Applikationen. Doch Vielfalt erschwert dem Anwender die richtige Auswahl. Ein typischer Fall für Added Competence. Wer Direktantriebe einsetzt, verfolgt in der Regel eine klare technische Zielsetzung. Meist stehen höhere Maschinendynamik, Genauigkeit und Zuverlässigkeit auf der Wunschliste. Oder der Gesamtaufbau einer Maschine soll verbessert werden. Diese Ziele sind längst nicht erreicht, wenn ein Direktantrieb anstelle eines konventionellen Antriebs arbeitet. Die technischen Vorzüge eines Linear- oder Torquemotors treten meist erst dann zu Tage, wenn die Gesamtkonstruktion optimiert ist. Nicht jeder Motortyp eignet sich in gleicher Weise für bestimmte Aufgaben.

Stärken eines Direktantriebs können in der Dynamik liegen, so dass er zu sehr schnellen oder sehr langsamen Bewegungen fähig ist. Auch die Systemgenauigkeit beschreibt das Potenzial eines Antriebs, z. B. bei Positionierungen oder in Form der Konturtreue bei der Bearbeitung. Da es kaum möglich ist, alle technischen Zielsetzungen in einem Motor zu vereinen, sind verschiedene Motorreihen und -Typen mit unterschiedlichen Vorzügen entstanden. IDAM fertigt mittlerweile mehr als 200 Standardmotoren mit unterschiedlichen Motorprinzipien für die diversen Anwendungen sowohl im linearen als auch im rotativen Bereich.

Neue Linearmotoren

Neben einigen Motorreihen wie L1, ULIM3…7, FSM, die mehr im Handlingbereich, Messmaschinensektor oder in der Produktronik zur Anwendung kommen, wurde der Motor L2 speziell für Anwendungen im Maschinenbau entwickelt. Es ist ein einseitig wirkender Motor, bestehend aus Primär- und Sekundärteil (Magnetschiene). Die Magnetkreisstruktur wurde so optimiert, dass dieser Motor sehr gute Gleichlaufeigenschaften aufweist. Sowohl das so genannte Cogging (reluktanzbedingte Rastkräfte) als auch die aktive Lastpulsation konnten deutlich unter 1 % der Nennkräfte reduziert werden.

Der Motor weist optional zwei getrennte Kühlkreisläufe auf. Mit Leistungs- und Präzisionskühlung kann somit der Wärmeeintrag in die Maschinenstruktur deutlich vermindert werden. Weiterhin verfügt der Motor über eine hohe Kraftdichte von 10 N/cm2 und einen sehr linearen Kraftverlauf. Mit Baureihen, die in Längenstufungen von ca. 200 mm und Breitenstufungen von 25 mm gestaffelt sind, lassen sich Spitzenkräfte bis 12.000 N je Primärteil erreichen.

Der Motor L2D ist ein so genannter Doppelkammmotor auf Basis des L2. Der Eisenrückschluss innerhalb des nach zwei Seiten wirkenden Primärteils ist dabei deutlich reduziert. Die dadurch erreichte Masseersparnis ist bei zeitkritischen Beschleunigungen oft sehr wichtig. Vorzug dieses Motors ist die Neutralisierung der Anzugskräfte zwischen Primärteil und dem U-förmig ausgebildeten Sekundärteil mit zwei gegenüberliegenden Magnetreihen. Hier gibt es wie bei eisenlosen Motoren keine Rückwirkungen auf die Führung. Bei diesen Motoren ist je nach Belastung optional Luft- oder Wasserkühlung möglich. Die Spitzenkräfte der momentan geplanten Baugrößen gehen bis ca. 10.000 N. Rotative Direktantriebe werden häufig auch als Torquemotoren bezeichnet. Aufgrund der vielen Bauformen und Prinzipien sollte jedoch hier eine Differenzierung vorgenommen werden.

Rotative Direktantriebe

Als Torquemotor wird allgemein der typische genutete, vielpolige Synchron-Motor mit hohem Drehmoment und begrenzter Drehzahl bezeichnet. IDAM fertigt diesen Motor als Innenläufer in einer Motorreihe RI, gestaffelt im Luftspaltdurchmesser und in der Bauhöhe. Außenläufer der RE-Reihe, bei denen die Permanentmagneten in einer außen rotierenden Trommel angeordnet sind, lassen sich oftmals günstiger in entsprechende Drehsysteme integrieren und verfügen bei gleichen Bauräumen über etwas höhere Drehmomente. Die Magnetstrukturen sind jedoch grundsätzlich gleich.

Diese typischen Torquemotoren sind hinsichtlich hoher Drehmomentausbeute optimiert. Bei Anwendungen in Drehtischen oder Schwenkachsen ersetzen sie die meist sehr aufwändigen Motor-Getriebeeinheiten und bieten neben den deutlich erhöhten Drehzahlen und Winkelbeschleunigungen weiterhin eine verbesserte Laststeifigkeit, Konturtreue und Maschinengenauigkeit. Bei entsprechend großen Durchmessern lassen sich Drehmomente bis zu 20.000 Nm und mehr erzeugen. Aufgrund der hohen Polzahlen und der Gegenspannungsproblematik sind jedoch die Enddrehzahlen dieser Motoren meist auf einige hundert U/min begrenzt.

IDAM ist es auch bei diesen Motoren gelungen, Cogging und Lastpulsation auf praktisch nicht mehr relevante Werte zu reduzieren. Nicht nur das von Hand spürbare Cogging (auch als Nutrasten bezeichnet) kann negative Auswirkungen auf das Gleichlaufverhalten und die Konturtreue eine Maschine haben. Oftmals ist es sogar die erst im aktiven Betrieb messbare Lastpulsation (aktive Kraftrippel), die sich im geregelten Betrieb als Nichtlinearität im oberen Aussteuerbereich auswirken kann. Zur Minimierung dieser Motorenfehler hat IDAM in den letzten Jahren verstärkt einiges unternommen. Eine bewährte Methode zur Kompensation von reluktanzbedingten Kraft- bzw. Momentschwankungen sind der gezielte Versatz und die Skalierung der Polstrukturen im Primär- und Sekundärteil oftmals auch als Noniusprinzip bezeichnet.

Dadurch heben sich die durch viele über den Motor verteilte Nuten erzeugten Kraftrippel nahezu auf.

Motoren vom Typ RM schließen das Cogging aufgrund der nutlosen Struktur schon konstruktionsbedingt aus. Wegen der größeren Luftspalten mit Luftspaltwicklung sind hier die Drehmomente zwar geringer als bei gleichgroßen RI-RE-Typen; sie sind jedoch für viele Feinbearbeitungen wie Schleifen und Honen ausreichend. Hinzu kommen die kleinen elektrischen Zeitkonstanten und die minimale Eisensättigung, die diesem Motor, der von IDAM ausschließlich kundenspezifisch ausgelegt wird, hervorragende Eigenschaften in der Regelung verleiht. RM-Motoren sind praktisch an jeden technologisch beherrschbaren Durchmesser anpassbar. Die Durchmesserpalette reicht von wenigen Zentimetern bis in den Bereich um 2,5 Meter.

Während bei den RI/RE-Typen die Luftspaltbezogene Relativgeschwindigkeit bei ca. 10 m/s liegt, erreichen RM-Typen bereits etwa 20 m/s. Bei größeren Durchmessern ist damit die Drehzahlgrenze sehr schnell erreicht.

Die High-Speed-Typen

Mit dem Wunsch nach deutlich höheren Drehzahlen bei noch akzeptablen Drehmomenten wurde der Motor HSR entwickelt. Hiermit sind aufgrund einer sehr niederohmigen Wicklung und etwas geringerer Polzahlen durchaus Relativgeschwindigkeiten um 50 m/s möglich. Auch das Cogging wird trotz Nutung des Statorpaketes praktisch völlig unterdrückt. Mit Motoren dieser Bauart sind spezielle High-Speed-Anwendungen sehr gut realisierbar.

Spezielle Anforderungen aus der Medizintechnik zur Geräuschminimierung haben zur Entwicklung des Motors HSRV geführt. Dieser Motor verbindet die Vorzüge des HSR mit einer speziellen Wicklungsausführung und zeichnet sich hiermit zusätzlich durch einen besonders ruhigen und vibrationsarmen Lauf aus.

Die Motortypen HSR und HSRV werden von IDAM nur anwendungsspezifisch ausgelegt und gefertigt. Sie gestatten die Herstellung schnell drehender Spindeln oder von Dreheinheiten mit gleichzeitig hohem Drehmomentbedarf. Im Vergleich zu konventionellen Spindelmotoren mit geringen Polzahlen (2 oder 4) erzeugen diese Motoren deutlich höhere Drehmomente auf durchweg größerem Durchmesserniveau. Das Leistungslimit liegt zwischen 50 und 100 kW. So ist es beispielsweise möglich, mit einem Motor vom Typ HSRV bei ca. 700 mm Durchmesser Drehzahlen bis 500 U/min im Feldschwächebetrieb und Spitzendrehmomente um 3.000 Nm zu erzeugen. Bei kleineren Durchmessern um 300 mm können bereits Drehzahlen von einigen 1.000 U/min erreicht werden.

Dr.-Ing. Wolfgang Heinrich, IDAM / ps

Erschienen in Ausgabe: 05/2005