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Bild: Heidrive

Servo-Antriebe Ein Baukasten, Millionen Antriebe

04.07.2017

Immer mehr Kunden benötigen kompakte Motoren mit hohen Beschleunigungsmomenten. Um diesen Anforderungen für mehr Performance bei geringeren Abmessungen gerecht zu werden, setzt ein Antriebstechnikhersteller auf Modularität und eine neue Wickeltechnik.

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Weltweit steigt der Bedarf an dynamischen und individuellen Antriebslösungen. Allerdings ist es schwer, mit einem Standardprodukt den verschiedenen Kundenwünschen zu entsprechen. Und es ist erst recht eine Herausforderung, zusätzlich noch die unterschiedlichen technologischen Anforderungen der Märkte Asien, Europa und USA gleichzeitig zu bedienen. Der Antriebstechnikhersteller Heidrive setzt daher auf ein Baukastensystem, das stetig erweitert und angepasst wird. Aus den zahlreichen Komponenten lassen sich mittlerweile viele Millionen verschiedene Antriebe konfigurieren.

Die erste Baureihe, die auf diesem modularem Konzept beruht, führte das Unternehmen 2009 speziell für Asien ein. Die Abmessungen von Hei Motion Compact (HMC) mit Flanschmaßen von 60, 80 und 130 Millimetern und die Anschlusstechnik entsprechen den asiatischen Standards. Weitere entscheidende Kriterien für den fernöstlichen Markt sind die Leistungsabstufungen (200 W bis 3 kW) und der Kostenvorteil. Anstatt Anschlüsse mit Steckern zu verwenden, setzt die Reihe auf kostengünstigere Kabelanschlüsse. Zudem ist die Auswahl an Gebern begrenzt, damit in Serie hohe Stückzahlen je Fertigungslos produziert werden können.

Produktlinie für Europa

Seit 2012 bietet Heidrive die Baureihe Hei Motion Premium (HMP) für den europäischen Markt an. Für sie werden möglichst viele Komponenten aus der bestehenden HMC-Baureihe verwendet, um die Teilevielfalt und damit die Kosten zu reduzieren. Mit Abnahmen, wie zum Beispiel UL und CSA, erfüllt die HMP-Baureihe europäische Anforderungen. Temperatursensoren und gängige Steckeranschlüsse gehören in dieser Produktlinie zum Standard. Des Weiteren können Kunden aus 17 verschiedenen Gebersystemen auswählen. Deren Schnittstelle ist so konzipiert, dass jeder Geber am Ende der Montagestrecke an den Motor angebaut werden kann. Die nötige Teilevielfalt sinkt damit um bis zu 75 Prozent. Durch zusätzliche Motorschnitte stehen bei der HMP-Reihe die Flanschmaße 40, 60, 80, 100, 130 und 190 Millimeter zur Verfügung. Sie decken außerdem einen Leistungsbereich von 50 W bis 15,5 kW und ein Stillstandsmoment von 0,2 bis 110 Nm ab.

Beide Baureihen verwenden eine kompakt verteilte Wicklung. Die Entwickler erreichten das vor allem, indem sie die Wickelkopfhöhen reduzierten. Damit lassen sich sowohl niedrige als auch sehr hohe Drehzahlen mit geringen Eisenverlusten realisieren. Die Wickeltechnik wie auch die Optimierung der Magnet- und Schnittgeometrie ermöglichen eine verbesserte Regelbarkeit des Antriebs und Wirkungsgrade von bis zu 94 Prozent.

Ferner fordert der Markt zunehmend Antriebe mit hohen Beschleunigungswerten beziehungsweise mit einem dynamischen Verhalten. Daneben gehören Kompaktheit und Energieeffizienz der Motoren zu den zentralen Kundenwünschen. Die Auftraggeber stammen dabei insbesondere aus den Bereichen Automatisierung, Robotik und dem CNC-Maschinenbau. Für diese Branchen und ihre spezifischen Anforderungen stimmte Heidrive die neue Baureihe Hei Motion Dynamic (HMD) gezielt ab.

Die HMD-Motoren zeichnen sich durch ihr sehr dynamisches Verhalten und ihre Robustheit aus. Das ermöglichten vor allem die Materialoptimierungen am Läufer und eine Baulängenreduzierung. Letztere erreichte man durch eine konzentrierte Wicklung. Hierfür werden die Kupferschichten über einzelne Zähne mithilfe einer Flyerwicklung ohne Kreuzungen automatisch aufgetragen, was die Querschnittsfläche der Nut optimal ausnutzt. Die Entwickler konnten mit dieser Methode die Wickelköpfe nochmals gegenüber der bestehenden und bereits optimierten Baureihe verkürzen.

Mehr Dynamik

Die mit dieser Wicklungstechnik einhergehende Verschlechterung der Rastmomente wurde mittels einer FEM-Berechnung, die allen Schnittberechnungen zugrunde lagen, vermieden. Die Konstrukteure konnten sie sogar durch Schränkung einzelner Magnetsegmente und dank der Optimierung der Polübergänge um mehr als 50 Prozent verringern.

In der Folge ergeben sich bei manchen Baugrößen Rastmomente von weniger als einem Prozent des Stillstandmoments. Zudem gelang es, die Trägheitsmomente im Läufer um bis zu 35 Prozent zu senken. Die Winkelbeschleunigung an einem Motor mit einer Leistung von 1.000 W (3,5 Nm bei 3.000 min-1) konnte von 100.000 rad s-2 auf 175.000 rad s-2 angehoben werden.

Darüber hinaus suchen immer mehr Unternehmen nach Antriebslösungen für 24 und 48 V. Solche Kleinspannungen waren bislang nur auf Kundenwunsch möglich und dementsprechend oftmals mit einer mehrwöchigen Lieferzeit verbunden. Im Rahmen seiner HMD-Baureihe bietet Heidrive nun auch eigene Niederspannungsmodelle an.

Durch den Anbau eines Servomoduls lassen sich die Standardmotoren zu einem sehr leistungsfähigen, dezentralen Antrieb erweitern. Bis zu 750 W Nennleistung ist auf diese Weise realisierbar. Eine höhere Leistung ist aufgrund des damit verbundenen, steigenden Stromes im Dauerbetrieb nicht sinnvoll.

Schlank, aber stark

Außerdem erweiterte man mit der neuen Produktlinie die Drehmomentabstufung. Sie wurde so ergänzt, dass das gewünschte Drehmoment bei einem Baugrößensprung nun von den Motoren beider Baugrößen umgesetzt werden kann. Somit ist sowohl ein langer schlanker und dadurch sehr dynamischer Motor als auch ein größerer, aber sehr kurzer und dadurch kompakter Motor für ein und dasselbe Drehmoment verfügbar.

Die neuen HMD-Antriebe stellen aber keine unabhängige Baureihe dar, sondern sind eine Erweiterung des etablierten Hei Motion Servosystems. Sämtliche Schnittstellen sind identisch, lediglich der Magnetkreis von Wicklung und Läufer wurde überarbeitet und weiterentwickelt. Folglich lassen sich sämtliche Optionen des bestehenden Baukastens verwenden, wie zum Beispiel Geber, Bremse, Stecker oder Planetengetriebe.

Bildergalerie

  • Die neuen Antriebe der HMD-Serie verfügen über eine geringere Baulänge und optimiertes Material am Läufer. Die Baulängenreduzierung wurde durch eine konzentrierte Wicklung erreicht.

    Bild: Heidrive

  • Das Material am Läufer der HMD-Motoren wurde im Vergleich zur HMP-Baureihe (links) nochmals optimiert. Dadurch erhöht sich die Dynamik des Motors.

    Bild: Heidrive

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