Die Anpassung von Komponenten und Fertigungsverfahren an individuelle Anforderungen erlaubt beste Performances.

Bild: Harmonic Drive

Aktuatorperformanceberechnung bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen Immer den perfekten Antrieb

19.03.2019

Sich ändernde Umgebungsbedingungen können deutliche Auswirkungen auf Antriebe, bestehend aus Getriebe und Motor, haben. Die Anpassung der Komponenten und Fertigungsverfahren auf die individuellen Anforderungen von Kunden erlaubt jedoch beste Performance.

Aktuatoren (auch Aktoren genannt) sind antriebstechnische Baueinheiten, die ein elektrisches Signal in mechanische Bewegungen beziehungsweise Veränderungen physikalischer Größen wie Druck oder Temperatur umsetzen und damit aktiv in den gesteuerten Prozess eingreifen. Die Einsatzgebiete der Aktuatoren von Harmonic Drive, einer Kombination aus einem Getriebe und einem Motor des Unternehmens, erstrecken sich von Luftfahrtanwendungen in großen Höhen bis hin zu Tiefseeanwendungen. Diese werden sowohl in tropischem bis arktischem Klima als auch unter Industriebedingungen verwendet. Dementsprechend vielfältig sind die Umgebungsbedingungen und damit die Anforderungen an entsprechende Antriebe und deren Komponenten, zum Beispiel an das Motor-Feedbacksystem, die Bremse, das Lager und den Schmierstoff. Im Folgenden soll ein grober Überblick über unterschiedliche Umgebungsbedingungen in diversen Einsatzgebieten und die daraus resultierenden Anforderungen an den Aktuator gegeben werden.

Die erwähnten Einsatzgebiete der Aktuatoren von Harmonic Drive unterscheiden sich in den Umgebungsbedingungen hinsichtlich Temperatur, Umgebungsdruck und Höhe sowie wie den typischen Encoder-Schnittstellen wie EnDat, Hiperface, Biss, TTL, SSI und Resolver. Ebenso zu differenzieren sind Spannungsniveaus von 48 VDC, 325 VDC und 560 VDC. Zur Erprobung der verschiedenen Einsatzgebiete wird bei Harmonic Drive eine Vielzahl von Tests durchgeführt – einerseits im eigenen Prüflabor, andererseits bei externen Partnern. Ein großer Modulbaukasten für die zu verwendenden Komponenten, das Solution Kit, bildet die Grundlage, um Antriebe für die unterschiedlichen Anwendungsgebiete auszulegen.

Kühlung von Aktuatoren

Die Kühlung eines Antriebes oder allgemein eines Körpers kann auf drei verschiedenen physikalischen Wegen geschehen: Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Konvektion. Bei der Wärmeleitung kommt es aufgrund von Temperaturunterschieden in einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas, gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, zu einem Wärmefluss von der warmen hin zur kalten Seite. Diese Art der Kühlung wäre beispielsweise zwischen dem Antrieb und einem Maschinengestell vorhanden. Der Antriebshersteller kann diese Schnittstelle nur in einem sehr geringen Maß beeinflussen. Daher wird diese potenziell gute Möglichkeit der Kühlung vergleichsweise selten berücksichtigt.

Die zweite Art der Wärmeabfuhr ist die Wärmestrahlung. Hierbei emittiert ein Körper Wärmestrahlung und transportiert diese auch im Vakuum ab. Von einem anderen Körper kann diese Strahlung absorbiert werden. Ein Beispiel von Wärmeübertragung mittels Strahlung ist die Erwärmung der Erde durch die emittierte Strahlung der Sonne. Die Wärmeübertragung durch Strahlung kann mit dem Stefan-Bolzmann-Gesetz bestimmt werden. In der Antriebstechnik wird häufig mit einem äquivalenten Wärmeübergangskoeffizienten gerechnet, der die Höhe der Wärmeleistung angibt, die bezogen auf die Oberfläche und die Temperaturdifferenz, abgegeben werden kann.

Die dritte Art der Wärmeübertragung ist die Konvektion. An einer warmen Oberfläche erwärmt sich das Kühlmedium, beispielsweise Luft, und entzieht dem Körper Energie. Das erwärmte Kühlmedium steigt aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen warmer und kalter Luft auf, es kommt zur freien/natürlichen Konvektion. Dieses Prinzip kann etwa bei einem Heizkörper beobachtet werden. Eine bessere Kühlung durch Konvektion kann erzielt werden, wenn das Kühlmedium forciert über die warme Oberfläche strömt. Für die Antriebstechnik wird ein Wärmeübergangskoeffizient für unbewegte Luft angenommen. Die Erwärmung eines Körpers beziehungsweise eines Antriebes kann unter Berücksichtigung der Wärmeübergangskoeffizienten, der auftretenden Verlustleistung des Antriebes und der Oberfläche bestimmt werden.

Temperaturbestimmung

Bei Annahme, dass der Wärmeübergangskoeffizient unabhängig von der Umgebungstemperatur ist, und bei Vernachlässigung, dass die Verluste in einem Antrieb, etwa die Stromwärmeverluste in der Wicklung, temperaturabhängig sind, kann man die Temperatur des Antriebes durch Addition von Umgebungstemperatur und dessen Erwärmung bestimmen. Mit den oben genannten einfachen Grundlagen kann nun der Einfluss der Umgebungstemperatur in unterschiedlichen Applikationen auf einen Antrieb abgeschätzt werden. Bei einer Industrieanwendung wird von einer Umgebungstemperatur von +40 Grad Celsius ausgegangen. Da die maximal zulässige Temperatur eines Antriebes von den verwendeten Komponenten abhängt, lässt sich die zulässige Verlustleistung und somit die Performance des Antriebes bestimmen.

Bei mobilen Anwendungen, bei denen die Umgebungstemperatur je nach geografischer Lage sehr stark schwanken kann, werden typischerweise Temperaturen zwischen -40 und +60 Grad Celsius angenommen. Dies führt dazu, dass bei hohen Umgebungstemperaturen und einer maximal zulässigen Aktuatortemperatur die zulässige Verlustleistung und damit das Dauerdrehmoment deutlich reduziert werden muss. Reduziert man die Umgebungstemperatur beispielsweise auf -40 Grad Celsius, ist die zulässige Erwärmung deutlich höher. Damit können mehr Verluste zugelassen werden, was dann in einem höheren Dauerdrehmoment resultiert.

Schmierstoffe und Betauung

Neben der reinen Betrachtung der Kühlung eines Antriebes ist natürlich auf weitere Effekte zu achten. So führt eine niedrige Umgebungstemperatur nicht nur zu dem positiven Effekt der besseren Kühlung, sondern auch dazu, dass das verwendete Schmierfett oder -öl im Getriebe und den Lagern zähflüssiger wird. Dies bedingt ein höheres Drehmoment, um das Fett zu bewegen. Bei niedrigen Temperaturen kann es somit vorkommen, dass bei einer ungeeigneten Schmierstoffwahl der Antrieb nicht mehr anlaufen kann, da der Elektromotor oder der Wechselrichter den notwendigen Strom und somit das notwendige Drehmoment nicht aufbringen können. Weiterhin ist darauf zu achten, dass es bei niedrigen Temperaturen zu Betauung und aus der Isolationskoordination zu höheren Anforderungen an die Kriechwege kommen kann. Abhilfe kann an dieser Stelle ein Vakuumvollverguss schaffen. Weitere Anforderungen, etwa die Beständigkeit gegenüber hohem Umgebungsdruck oder Salzwasser in Tiefseeanwendungen, bedürfen zusätzlicher Maßnahmen wie die Verwendung spezieller Materialien und die Ausführung einer Druckkompensation.

Allen genannten Anforderungen sollen die kompakten und speziell auf die Kundenanwendung zugeschnittenen Aktuatoren von Harmonic Drive genügen. Je nach Umgebungsbedingung werden die Aktuatoren durch Anpassung der Komponenten und Fertigungsverfahren auf die individuellen Anforderungen von Kunden angepasst und bieten für das jeweilige Einsatzgebiet optimale Voraussetzungen. Das Spannungsniveau und maximale Ströme werden in Abstimmung mit dem Kunden ausgelegt. Die zur Verfügung stehenden Schnittstellen am Regler können darüber hinaus betrachtet werden, um ein geeignetes Motor-Feedbacksystem auszuwählen.

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