Susanne Reinhard, Baumüller Nürnberg GmbH
2024-08-21T12:48:11+02:00
Antriebstechnik
Baumüller

Zeit für den Wechsel – Direktantriebstechnik verstehen und erfolgreich einsetzen

Direktantriebstechnik ist nichts Neues und wird dennoch in vielen F?llen nicht als eine Antriebsoption in Erw?gung gezogen. Das Verst?ndnis über die Funktion und damit die Vorteile der Direktantriebstechnik hilft, eine Entscheidung pro Wirtschaftlichkeit, Effizienz und Prozessqualit?t zu treffen.

7 Gründe für die Direktantriebstechnik

Direktantriebstechnik bedeutet, dass die Kraft des Motors direkt und ohne zwischengelagerte Komponenten auf die anzutreibende Mechanik übertragen wird. Zahnriemen, Getriebe und ?hnliches entfallen. Die Technik ist nichts Neues und bereits seit vielen Jahrzehnten im Einsatz. Viele Maschinenbauer sind mit ihr aber nicht hinreichend vertraut, um sie als Alternative zu klassischen Motor-Getriebe-Kombinationen oder sogar zu hydraulischen Systemen in Erw?gung zu ziehen. Es lohnt sich jedoch genauer hinzusehen: zahlreiche Anwendungen, wie zum Beispiel Servopressen, würden von einer Umsetzung mit Direktantriebstechnik profitieren, die mit ihren typischen Vorteilen eventuell sogar den entscheidenden Wettbewerbsvorteil liefern kann. ?Das Verst?ndnis über die Vorteile der Direktantriebstechnik und die Bauweise der Motoren ist die Grundlage für eine sinnvolle Abw?gung.

Direktantriebstechnik mit Torque-Motoren

Direktantriebe werden meist mit Linearmotoren oder mit Torquemotoren umgesetzt. Im vorliegenden Artikel stehen die drehmomentstarken rotatorischen Torquemotoren im Fokus. Die physikalischen Prinzipien entsprechen denen der elektrischen Antriebstechnik, die sich die Gesetze des Magnetismus zunutze macht. Der Elektromotor ist dabei direkt mit der Maschinenwelle verbunden, die Bewegung muss nicht über zus?tzliche Elemente übertragen werden. Erste Wahl beim Antriebsspezialisten Baumüller für Direktantriebsl?sungen sind die Torquemotoren der Baureihe DST2. Dabei handelt es sich um permanenterregte, hochpolige Synchronmotoren in wassergekühlter Ausführung.

Torquemotoren DST2

Erhebliche Vorteile gegenüber Motor-Getriebe-Kombination als auch zu hydraulischen Systemen.

Alle Vorteile auf einen Blick

Das Funktionsprinzip des Synchronmotors

Der Synchronmotor besteht aus einem Rotor und einem Stator. In den permanenterregten Synchronmotoren DST2 ist der Rotor mit Dauermagneten bestückt, daher permanenterregt. Im Vergleich dazu sind in Asynchronmaschinen keine Dauermagneten verbaut, die Rotation wird durch Induktion im L?ufer erzeugt. In den Baumüller Torquemotoren wird der Stator bestromt, so dass darin auch ein Magnetfeld entsteht. Die Stromst?rke ist dabei die Stellschraube für das Drehmoment, die Frequenz bestimmt die Drehzahl. Beides kann über einen Servoregler gesteuert werden. Als Vorteile ergeben sich daraus eine kompakte Bauform durch die Dauermagnete und eine gute Servoregelbarkeit. Das System hat also eine hohe Leistungsdichte und erm?glicht Pr?zision im Prozess.

Hochpolig hei?t, dass der Motor ein h?heres Moment erzeugen kann und das schon bei relativ geringer Drehzahl. Vereinfacht kann gesagt werden, mit steigender Polpaarzahl nimmt das Drehmoment zu. Das Spitzendrehmoment ist aber im Vergleich niedriger als beim niederpoligen Synchronmotor. Torquemotoren kommen darum in Anwendungen zum Einsatz, die ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen erfordern. Dies ist oft der Fall, wenn Alternativen zu herk?mmlichen Getriebe-Motor-Kombinationen oder zu hydraulischen Systemen gesucht werden zum Beispiel bei Pressen, Extrudern oder Spritzgie?maschinen. Trotz der Fokussierung auf hohe Drehmomente liefern Synchronmotoren gute Beschleunigungseigenschaften und eine gute Regelbarkeit, so dass auch dynamische Anlagen realisiert werden k?nnen.

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Kompaktheit

Unser Gro?er: Für einen Hersteller von Servopressen haben wir diesen Torquemotor mit einer Achsh?he von 560 mm gebaut

Wenn das Funktionsprinzip des Direktantriebes klar ist, dann werden die Vorteile dieser Technologie deutlich. Der hochpolige Motor hat von sich aus schon eine sehr hohe Kraftdichte und baut damit sehr kompakt. Au?erdem besteht der Antrieb nur aus den zwei Teilen Rotor und Stator, ?bertragungselemente oder hydraulische Systeme fallen weg. Das bedeutet, dass der Motor nicht nur wenig Bauraum beansprucht, sondern auch der Montageaufwand sehr gering ist. Ein weiterer Vorteil bei der Integration in die Maschine ist, dass der Torquemotor als Bausatzmotor geliefert werden kann. Das bedeutet, der Maschinenbauer erh?lt nur den Stator und den Rotor, ohne Geh?use und Lager und kann den Antrieb so optimal in seine Maschine integrieren. Die Torquemotoren DST2 von Baumüller sind mit Vollwelle, mit Hohlwelle oder mit Drucklager verfügbar und bieten so eine gro?e Flexibilit?t bei der Integration in die Maschine. Die Ausführung mit Drucklager wurde speziell für den Einsatz in der Extrusionstechnik entwickelt: Das integrierte Drucklager nimmt die auf den Motor wirkenden Axialkr?fte auf, die über den Gegendruck im Verfahrensteil entstehen.

Die Torquemotoren DST2 von Baumüller sind mit Vollwelle, mit Hohlwelle oder mit Drucklager verfügbar und bieten so eine gro?e Flexibilit?t bei der Integration in die Maschine

Steifigkeit

Eine der h?ufigsten Motivationen für den Einsatz von Torquemotoren ist die Servoperformance, die durch die Steifigkeit der Verbindung zwischen Motor und Last deutlich besser ist, als bei Motor-Getriebe-Kombinationen. Der Wegfall zus?tzlicher Bewegungswandler führt zu einem niedrigen Tr?gheitsmoment und erm?glicht eine h?here Dynamik. Ein weiterer Vorteil ist die Spielfreiheit und die fehlende Diskrepanz zwischen den Massentr?gheitsmomenten des Motors und der Last. Direktantriebssysteme erm?glichen damit die effiziente Umsetzung dynamischer Prozesse.

Life-Cycle-Costs

Hohlwellenmotor: Torquemotoren gibt es mit verschiedenen Wellenoptionen. Die klassische Variante ist die Hohlwelle. Sie bietet eine besonders hohe Steifigkeit

Direktantriebe mit Torquemotoren punkten im Vergleich zu klassischen Motor-Getriebe-L?sungen und zu hydraulischen Systemen mit einem besonders niedrigen Wartungs- und Serviceaufwand. Das Direktantriebssystem ist nahezu ?lfrei, der Motor hat eine sehr hohe Lebensdauer, der Wegfall von Komponenten ergibt eine geringere St?ranf?lligkeit. Zweiter Pluspunkt bei der Betrachtung der Lebenszykluskosten ist der geringere Energieverbrauch. Hier kann der Direktantrieb auch gegenüber dem Getriebemotor punkten, denn zum einen sind die Reibungsverluste geringer und er weist zum anderen einen h?heren Wirkungsgrad im Teillastbereich bei konstanter Drehzahl auf. Somit arbeitet diese Antriebsform auch bei h?ufigem Wechsel zwischen Teil- und Nennlast noch wirtschaftlich. Im Vergleich zu herk?mmlichen L?sungen l?sst sich mit diesem Antriebskonzept zum Beispiel in Pressen bis zu 50 Prozent Energie einsparen. Dabei bü?t die Maschine aber nicht an Dynamik ein. Der Motor verfügt über ein dynamisches Anfahrverhalten und kann schnell auf die für die jeweilige Anwendung optimale Leistung beschleunigen. Hydraulische Systeme erzeugen im Vergleich mit hohen Wartungsanforderungen, einem geringeren Systemwirkungsgrad und h?herer W?rmeentwicklung deutlich h?here Lebenszykluskosten.

Referenzvideo

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Kühlung und Ger?uschemission

Ein weiterer Faktor bei der Energiebilanz ist die Wasserkühlung des Motors. Durch die Wasserkühlung? sinken sowohl die Oberfl?chenw?rme als auch W?rmeeintrag in die Maschine. So steigt die Leistungsdichte noch weiter und eine zus?tzliche kosten- und energieintensive ?Lüfterkühlung ist nicht mehr erforderlich ist. Positiver Nebeneffekt sind hier die reduzierten Ger?uschemissionen. In hydraulischen Systemen kommt es zu vergleichsweise deutlich h?herer W?rmeentwicklung und damit zu zus?tzlichem Energiebedarf für Lüftermotoren. Au?erdem führen die Schwingungsneigung durch Druckst??e und die Schaltger?usche der Ventile zu einer h?heren Ger?uschbelastung. Auch gegenüber Motor-Getriebe-Kombinationen ist die Ger?uschemission durch den Wegfall des Getriebes reduziert.

Das Gesamtsystem

Dass all diese Vorteile in der Praxis zum Tragen kommen werden Direktantriebe in komplette elektrische Antriebssysteme eingebunden. Im System k?nnen die Drehzahl und das Drehmoment gezielt gesteuert werden. Baumüller liefert mit seiner Leistungselektronik der Familie b maXX 5000 die passende Elektronik, um drehzahlvariable Antriebe mit gro?er Leistung zu realisieren. Bei Motoren mit Mehrfachwicklung bietet Baumüller die M?glichkeit, einen Motor mit mehreren Servoantrieben zu betreiben.

Beim Betrieb von Motoren mit Mehrfachwicklung k?nnen mehrere Umrichter an einem Motor laufen

b maXX 5000 Servoantriebe

Umrichter mit vielen Vorteilen: Von Kosteneinsparungen über h?here Dynamik bis hin zu verst?rkter Sicherheit.

Alle Vorteile auf einen Blick

Die Grenzen der Direktantriebstechnik

Um abw?gen zu k?nnen, wann Direktantriebstechnik Sinn macht, muss man auch ihre Grenzen verstehen. Die Leistung eines Elektromotors ist meist dadurch begrenzt, wie viel Moment der Motor aufbringen kann, ohne zu überhitzen. Entscheidend für die Nennleistung des Motors, also die Leistung, die der Motor im Dauerbetrieb erbringen kann, ist, wie gut der Motor Hitze abführen kann. Baumüller setzt bei seinen DST2 Motoren darum auf eine Wasserkühlung mit Edelstahlwellschlauch, die eine optimale Abführung der Verluste bei hoher Schutzart erm?glicht. Eine Flüssigkeitskühlung kann die Leistung von Elektromotoren sogar bis um das Doppelte steigern.

Neben der Nennleistung ist noch die Spitzenleistung interessant. Das ist die maximale Leistung, die der Motor erbringen kann, die aber nicht im Dauerbetrieb gehalten werden kann, ohne dass es zu Sch?den am System kommt. Letztendlich geht es auch hier darum, dass das System nicht zu hei? werden darf. Baumüller erm?glicht mit seinen wassergekühlten Torquemotoren Spitzenmomente bis zu 60.000 Nm.

Ein weiterer Leistungsfaktor ist die Geschwindigkeit. Wenn sich die Magnete an den Kupferspulen vorbei bewegen, wird im Kupfer ein Strom erzeugt, der eine Gegen-EMK erzeugt. Zum Ausgleich dieser Gegen-EMK muss dem Motor mehr Strom zugeführt werden. Dieser Strom würde normalerweise für die Erzeugung des Drehmoments zur Verfügung stehen. Das Ergebnis ist, je h?her die Drehzahl des Motors ist, desto schwieriger wird es, hohe Momente zu erreichen. Je gr??er die Oberfl?che zwischen den Magneten und der Kupferwicklung, umso mehr Gegen-EMK entsteht. Darum ist die Drehzahl des Motors geringer, wenn er gr??er wird oder die Polzahl steigt. Die Baumüller Torquemotoren erreichen Drehzahlen bis zu 2000 min-1.

Fazit

Trotz all ihrer Vorteile wird die Direktantriebstechnik heute oft noch nicht eingesetzt. Gründe dafür sind die Kosten, die vor allem durch die Permanentmagnete entstehen. Oft wird an den klassischen Systemen festgehalten, weil die Maschinenbauer damit vertraut sind und die Umstellung auf ein neues Antriebssystem Aufwand bedeutet. Dieses Z?gern ist verst?ndlich, besonders wenn man bedenkt, dass die Vorteile der Direktantriebstechnik sich vor allem langfristig bemerkbar machen.

Vorteile der Direktantriebstechnik

H?here Leistung der Maschine und damit h?here Produktivit?t

Reduzierte Ausfallzeiten durch hohe Robustheit und Wartungsfreiheit des Systems

Keine oder l?ngere Wartungszyklen

H?here Energieeffizienz

Geringerer Platzbedarf

Geringere Ger?uschemission

Referenzvideo

Im Interview mit unserem Kunden Bemaco Engineering erfahren Sie mehr über eine Coexanlage, die mit unserer Antriebstechnik ausgestattet wurde:

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In vielen Produktionsbereichen steigen die Anforderungen immer weiter. Direktantriebstechnik kann hier in vielen F?llen die L?sung der Wahl sein, wenn die klassischen Systeme an ihre Grenzen sto?en. Bei der ?berlegung, Maschinen auf Direktantriebstechnik umzurüsten sollte jedoch grunds?tzlich beachtet werden, dass ihr Einsatz nicht nur durch die technischen Vorteile begründet werden darf, sondern es muss in erster Linie auch wirtschaftlich sein. In Abh?ngigkeit von den Anforderungen der jeweiligen Applikation an die Positioniergenauigkeit, Systemdynamik und an das Instandhaltungs- bzw. Servicekonzept ist der Einsatz von Direktantrieben daher stets sorgf?ltig abzuw?gen. In vielen F?llen zahlen sich die langfristigen Vorteile der Direktantriebstechnik wie h?here Produktivit?t, geringere Wartung, bessere Energieeffizienz, etc. allerdings aus und es ist sinnvoll, die klassischen Systeme durch moderne Direktantriebe abzul?sen.

Vergleich der Antriebsoptionen

| Hydraulisches System | Motor-Getriebe-Kombination | Direktantriebstechnik
Energieeffizienz | Schlechter Gesamtwirkungsgrad durch Str?mungsverluste | Schlechte Energieeffizienz durch Reibungsverluste | Hohe Energieeffizienz durch guten Gesamtwirkungsgrad
| Energie für zus?tzliche Lüftermotoren n?tig | Energie für zus?tzliche Lüftermotoren n?tig | Wasserkühlung
Service-/Wartungs-Kosten | Hoher Wartungsaufwand, da Gefahr von Leckagen | Regelm??ige Wartung mit ?lkontrolle bei Getrieben | Nahezu kein Wartungsaufwand
| Temperaturabh?ngigkeit und n?tige Filtrierung der Hydraulik?le | Begrenzte Lebensdauer der Getriebe | Hohe Lebensdauer
Ger?uschemission | Schaltger?usche der Ventile | L?rmbelastung durch Getriebe | Motorenbetrieb nahezu Lautlos
| Schwingungsneigung durch Druckst??e | | Kein L?rm durch Lüftermotoren
Platzbedarf | Viel Bauraum n?tig | Viel Bauraum n?tig | Kompakte Bauform
| | | Flexible Integration durch Bausatz

Haben Sie noch Fragen?

Markus Keila
Produktmanager Motoren