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DER KONSTRUKTEUR ASB/2020

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DER KONSTRUKTEUR ASB/2020

VIELFALT SCHAFFT

VIELFALT SCHAFFT MÖGLICHKEITEN Autor: Jörg Flesch, Technischer Leiter, Merkes GmbH, Solingen PRODUKTE UND ANWENDUNGEN In den letzten Jahren etablieren sich zunehmend neue Antriebskonzepte, um den größer werdenden Bedarf an effizienten Antrieben zu decken. Das Konzept des IEC-Norm-Motors mit Effizienzklasse IE3 und IE4 reicht dazu zwar meist aus, hat aber Nachteile hinsichtlich Baugröße, Gewicht und Wirkungsgrad. Das gibt anderen, bereits vielfältig eingesetzten Antriebsvarianten eine Chance. Im Gegensatz zu Normmotoren besitzen die meisten alternativen Antriebskonzepte eine vorgeschaltete Regelelektronik. Diese kostet zwar Geld, bietet aber auch zusätzliche Vorteile, denn Drehzahlund Drehmomentregelung ermöglichen optimierte Prozesse. Somit wird der Energieverbrauch gesenkt und Ressourcen werden geschont. Zu diesen Alternativen gehören u. a. Linestart-Motoren, Reluktanzmotoren, PM-Motoren, SPM-Motoren und IPM-Motoren, die im Folgenden vorgestellt werden. LINESTART-MOTOR Als Linestart-Motor bezeichnet man einen Motor, der in der Lage ist, ohne Frequenzumrichter direkt am elektrischen 3-phasigen Netz anzulaufen. Linestartmotoren sind hybride Motoren, die zwei (oder drei) Motorkonzepte miteinander verbinden. Kombinationen aus Asynchron-, Synchron- und Reluktanzmotor sind hier möglich. Für den Anlauf sorgt der asynchrone Anteil, für die Effizienz sorgen der Synchron- und der Reluktanzanteil der Maschine. RELUKTANZMOTOR Der Reluktanzmotor war lange nur in sehr wenigen Applikationen zu finden, weil er schwer zu regeln ist und oberhalb des Nenndrehmoments zum Abkippen neigt. Moderne Regelelektronik ermöglicht mittlerweile den Einsatz dieses Motors in vielen Anwendungen. Wirkungsgrade im Bereich von IE4 werden mit entsprechender Elektronik problemlos erreicht. Baulich sind diese Motoren meist vergleichbar mit asynchronen IE3-Motoren. PM-MOTOREN Lange etabliert sind PM-Motoren (permanent magnet). Diese werden oft auch als EC-Motoren (electronic commutation) oder Brushless- DC-Motoren bezeichnet. Tatsächlich sind PM-Motoren in industriellen Anwendungen 3-phasige Maschinen mit Permanentmagneten zur Erzeugung der Gegenkraft im Rotor. Sie benötigen eine elektronische Kommutierung mit einem Frequenzumrichter oder Servosteller. Meist haben PM-Motoren eine eingebaute Drehzahloder Positionsrückführung. Moderne Regelelektronik ermöglicht auch hier in vielen Anwendungen den Verzicht auf eine Drehzahloder Positionsrückführung, was auch diese Motoren als Alternative zum Normmotor interessant macht. SPM- UND IPM-MOTOREN SPM-(surface permanent magnet) und IPM-(integrated permanent magnet) Motoren sind zwei unterschiedliche Bauformen des PM-Motors. In der SPM-Ausführung befinden sich die Magnete auf der Oberfläche des Rotors, beim IPM-Motor sind die Magnete im Rotor integriert oder auch vergraben. IPM-Motoren haben zudem einen kleinen Reluktanzanteil und sind robuster gegen Entmagnetisierung. IPM-Motoren erreichen einen hohen Wirkungsgrad. 10 DER KONSTRUKTEUR 2020/ASB www.derkonstrukteur.de

MOTOREN UND STEUERUNGEN MECHANISCHE KOMPATIBILITÄT Standardisierung gibt es bislang nur im Normmotoren-Bereich. Die Forderung nach Alternativen zum Normmotor bringt auch die Forderung nach mechanischer Kompatibilität mit sich, was jedoch nicht immer möglich und auch nicht immer sinnvoll ist. Ein Umdenken ist gefragt, mechanische Anpassungen müssen gemacht, neue Wege erdacht werden. Mit der zunehmenden Forderung nach energiesparenden Motoren steigt die Diversität, denn die Anzahl der zur Verfügung stehenden Möglichkeiten hat ebenfalls zugenommen. Ob bei STEIGENDE ANFORDERUNGEN ERHÖHEN DIE DIVERSITÄT VON MOTOREN der Elektrifizierung von Nutzfahrzeugen, Pumpen-, Lüfter- und Hydraulikanwendungen, beim Mischen und Mixen, die Zahl der Anwendungen wächst, die Vielfalt nimmt zu und fordert Ingenieure heraus. Dabei macht es Sinn die Vor- und Nachteile der einzelnen Motortypen genau zu kennen und den für die Anwendung optimalen Kandidaten auszuwählen. Hinzu kommen wirtschaftliche Erwägungen. Betrachtet man die reinen Anschaffungskosten, dann ist die Asynchronmaschine als Normmotor aufgrund hoher gefertigter Stückzahlen und der Fertigung in Niedriglohnländern meist nicht zu schlagen. Berücksichtigt man jedoch, dass PM-Maschinen ein bis zwei Baugrößen kleiner bauen und somit deutlich weniger Material benötigen, schwindet dieser Vorteil. Ein Nachteil kleiner bauender Maschinen ist allerdings, dass die eingesetzten Lager ebenfalls kleiner sind. Damit reduzieren sich auch die zulässigen axialen und radialen Lagerkräfte. WIRKUNGSGRAD UND BAUFORM Beim Vergleich der Wirkungsgrade muss das gesamte System betrachtet werden. Es gibt Kombinationen von Motor und Frequenzumrichter die als Paket bereits IE5 erreichen, was besser ist als ein IE4-Motor alleine. Bezogen auf die Lebenszeit des Systems von 10 bis 15 Jahren spielen somit die Mehrkosten des Frequenzumrichters kaum eine Rolle mehr. Die Wirkungsgradvorteile der PM-Motoren ermöglichen nicht nur eine kompaktere Bauform, sondern auch deutlich größere Drehzahlen und somit neue Anwendungsmöglichkeiten. Vereinfacht ausgedrückt: in der gleichen Gehäusegröße ist eine deutlich größere Leistungsabgabe – entweder durch mehr Drehmoment bei selber Drehzahl oder durch mehr Drehzahl bei gleichem Drehmoment – möglich. Beispiel: Wenn ein 7,5-kW-Asynchronmotor IE3 in Baugröße 132M durch einen IE5-IPM-Motor ersetzt wird, dann kann die neue Maschine die doppelte Wellenleistung abgeben, da sich die Eigenverluste halbieren. Die Merkes GmbH hat sich auf den Bereich der PM-Motoren (IPM und SPM) spezialisiert und ist in der Lage für unterschiedlichste Kundenanforderungen den optimalen PM-Motor zu entwickeln und zu liefern: in der Bauform als Normmotor oder als klassischer Servomotor mit Oberflächenkühlung, mit oder ohne Gebersystem, mit Sonderflansch (für größere Lager) oder Standard, vorbereitet für die Aufnahme eines Frequenzumrichters und vieles mehr. Bilder: Aufmacher Hintergrund: Brad Pict – stock.adobe.com, Sonstige: Merkes GmbH www.merkes.de Ein großer Vorteil der PM-Maschinen ist, dass sie ein bis zwei Größen kleiner als Normmotoren bauen Der Teamplayer SD2 – zertifizierte Sicherheit für sensorlose Systeme Die universelle Antriebslösung für Multiachs- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen SFM SLOF Kundenspezifische Lösungen möglich STO www.sieb-meyer.de DU_Anz_SiebMeyer_SD2_derKonstrukteur_SH_185x90.indd 1 03.06.20 09:07 www.derkonstrukteur.de DER KONSTRUKTEUR 2020/ASB 11

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