Der Fall für Hohlwellen-Torquemotoren

Der Maschinenkonstrukteur von heute muss mehr Faktoren denn je berücksichtigen, wenn er an ein neues Projekt herangeht. Ebenso hat der Integrator und Retrofit-Ingenieur erweiterte Optionen, nicht nur aufgrund neuer Technologien, sondern auch aufgrund kritischer Schwerpunktbereiche wie reduziertem Energieverbrauch, schnellere Montagezeit, Reduzierung des Anbieters und geringerer Platzbedarf.

Im Bereich der Bewegungssteuerung hat ein Motortyp mit relativ kurzer Geschichte bedeutende Fortschritte gemacht, die eine neue Betrachtung seines Potenzials in vielen Anwendungsbereichen erfordern. Diese Anwendungen reichen von Werkzeugmaschinen-Drehtischen bis hin zu verschiedenen Verpackungs-, Druck-, Verarbeitungs-, Extruder-, Papierherstellungs-, Kunststofffolien- und Fördermaschinen, überall dort, wo die Richtung mit sehr hoher Genauigkeit, Spielfreiheit (Hysterese) und Beibehaltung der Bewegung umgedreht werden muss Steuerung, im Gegensatz zur notwendigen Entkopplung von konventionellem Motor und Getriebe.

Geben Sie den oft übersehenen Permanentmagnet-Synchron-Torquemotor ein.

Torquemotoren sind Direktantriebe für Rundachsen, bei denen ein hohes Drehmoment und eine hohe Präzision bei relativ niedrigen Drehzahlen erforderlich sind. Mit deutlich geringerer Installationszeit, Wartungsaufwand, Bauteilanzahl und Platzangebot sind diese Motortypen häufig praktikable Alternativen zu Getriebemotoren.

Heute gibt es zwei beliebte Varianten von Torquemotoren. Sie sind der komplette Torquemotor, der nur noch direkt an die Maschine angeflanscht und der Rotor mit der Maschinenwelle verbunden werden muss, und der Einbau-Torquemotor, bei dem Stator und Rotor als Einzelkomponenten geliefert werden, die direkt in die Maschine integriert sind Maschinenmechanik.

Komplette Torquemotoren finden sich häufig an Extruderhauptantrieben, Vorschubköpfen an Spritzgießmaschinen, Walzenantrieben an Papiermaschinen, Drahtziehvorrichtungen, Textilmaschinen-Bahnstrecken und Wicklern/Querschneidern an Verpackungen Ausrüstung.

Einbau-Torquemotoren werden typischerweise an Werkzeugmaschinenrundtischen, Schwenkachsen, dynamischen Werkzeugrevolvern und Drehspindeln sowie Druckmaschinenzylindern, Kühlwalzen in Gießfolien- und Folienstreckmaschinen, Rundschalttischen in Umformpressen und allen anderen Typen eingesetzt von hochdynamischen, hochpräzisen Bahn- und Drehzahlregelungsanwendungen.

Beide Arten von Torquemotoren verfügen über eine Hohlwelle, die es ermöglicht, Medien oder mechanische Komponenten durch den Rotorhohlraum zu führen.

Torquemotoren sind mehrpolige Synchronmotoren, die im Betrieb Dreh-Synchron-Servomotoren ähnlich sind. Der Rotor ist mit Permanentmagneten bestückt, während der Stator die Motorwicklungen enthält. Die hohe Polpaarzahl führt zu einer Konstruktion, die bei niedrigen Drehzahlen ein hohes maximales Drehmoment erzeugt. Da in der Vergangenheit die Wirbelstromverluste mit der Polpaarzahl und der Drehzahl des Motors zunehmen, wurden Torquemotoren nur bei relativ niedrigen Drehzahlen als einsetzbar angesehen. Neue wassergekühlte Konstruktionen wirken diesem Prinzip entgegen und ermöglichen eine hohe Leistungsdichte. Heutige Torquemotoren können Drehzahlen von 1000 U/min oder höher aufnehmen.

Aufgrund dieser Konstruktionen mit höheren Polpaaren und weil viele mechanische Kraftübertragungskomponenten, die Spiel, Wärme, Reibung und Geräusche erzeugen, eliminiert werden, bieten Torquemotoren den Konstrukteuren folgende Vorteile:

• geringer Platzbedarf durch hohe Drehmomentdichte;
• ausgezeichnete Rotationsgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit durch direkte Laststeuerung;
• platzsparende Maschinenkonstruktionen durch den Wegfall von Getrieben und Riemengetrieben;
• geringer Wartungsaufwand als direkte Folge weniger mechanischer Teile im Antriebsstrang; und,
• hohe Energieeffizienz, da mechanische Verluste im Antriebsstrang entfallen.

Obwohl sie teurer sind als Getriebemotoren, wird derzeit geschätzt, dass Torquemotoren dem Konstrukteur allein durch Energieeinsparungen eine Amortisationszeit von drei bis vier Jahren bieten, wobei die sofortige Leistungssteigerung und die Einsparungen im Vorfeld sowohl bei der Installation als auch bei der Wartung nicht eingerechnet sind. Durch den Einsatz dieser Motoren werden auch deutliche Anbieterreduzierung und Lagerbestandsvorteile realisiert.

Bei einer typischen Mehrschicht-Blasfolienanlage kann beispielsweise durch den Einsatz von Torquemotoren die Aufstandsfläche der Extrusionspartie um die Hälfte reduziert und der verbrauchte Produktionsraum entsprechend verringert werden, was zu einer Steigerung der Produktionsraten pro Quadratfuß führt.

Torquemotoren galten lange Zeit als anfällig für chemische und andere atmosphärische Verunreinigungen, aber neue Designs wurden angepasst, um korrosiven Atmosphären wie einer Trockenhaube einer Papierfabrik zu widerstehen, und funktionieren, da sie wassergekühlt sind, in vielen rauen Umgebungen ohne Hitze zufriedenstellend Beschädigung. Es sind Gehäuse bis Schutzart IP54 mit Überlastfähigkeit bis zum 2,5-fachen des Nenndrehmoments erhältlich.

Torque-Motoren reduzieren mechanische Wirkungsgradverluste auf ein absolutes Minimum, da sie die mechanische Übertragung im Antriebsstrang eliminieren. Im Vergleich zu Getriebemotorlösungen liegt der Wirkungsgradgewinn typischerweise im Bereich von 10 Prozent, während der Gewinn beim Austausch von Hydraulikmotoren in Anwendungen wie Spritzgussmaschinen eher bei 70 Prozent liegt. Darüber hinaus wird durch die direkte und konstante Ansteuerung der Lastwelle bei Torquemotoren, bei der kein Spiel oder Entkopplung auftritt, eine deutlich höhere Bewegungspräzision erreicht, die bei einer getriebe- oder riemengetriebenen Lösung nicht möglich ist.

Bei der Herstellung von gestreckter Folie beispielsweise hat die Anwendung von Torquemotoren auf Kühlwalzen, Zugwalzen, Streckwalzen und Wicklern zu einer dramatischen Verbesserung der Produktionsqualität geführt. Die genauere Geschwindigkeitssteuerung der direkt angetriebenen Walzen führt zu schnelleren Anläufen beim Wechsel von einem Folienprodukt zum anderen, da die Wahrscheinlichkeit von Rissen in der Bahn minimiert wird. Darüber hinaus ermöglicht die höhere Regelgenauigkeit die Herstellung eines dünneren Films, der in seiner Dicke zehnmal gleichmäßiger ist. Ebenso ermöglicht die steife Antriebsstrangkonfiguration, die mit Torquemotoren erreicht wird, ein schnelleres Hoch- und Herunterfahren bei zyklischen Anwendungen, was zu kürzeren Zyklen und einer höheren Produktleistung im gleichen Zeitraum führt. In vielen Anwendungen mit sehr kurzen Taktzeiten, wie beispielsweise bei Rundschalttischen oder Spritzgießmaschinen, hat die Umstellung von konventionellen Antrieben auf direkt angetriebene Lösungen zu Produktionssteigerungen von typischerweise 25 bis 30 Prozent geführt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine geringere Komponentenanzahl jetzt niedrigere Produktlebenszykluskosten sowie geringere potenzielle Ausfallraten im Feld bedeutet.

Andere Merkmale der heutigen Torquemotoren, die sie für den Maschinenkonstrukteur attraktiver machen, sind:

• Absolutwert- oder Inkremental-Encoder oder Resolver für verbesserte
  Bewegungssteuerung
• elektronisches Typenschild für schnellere Inbetriebnahme
• horizontale oder vertikale Montagemöglichkeiten
• Lageroptionen für Axialschubanwendungen
• PTC-Widerstände in jeder Phase, zusätzlich zu Standard-KTY-Thermistoren für eine optimale Temperaturüberwachung

Die aufkommende Wissenschaft der Mechatronik ist auch für Direktantriebe wie Torque- und Linearmotoren im Integrationsprozess von entscheidender Bedeutung, da die elektronischen Maschinensteuerungsprotokolle für die Überwachung und Ausführung der elektromechanischen Bewegungen so entscheidend sind. Um das richtige Aggregat für die Last zu bestimmen, sind fundierte Kenntnisse in drei Disziplinen (Maschinenbau, Elektrotechnik und Elektronik) von grundlegender Bedeutung. Mechatronik befasst sich mit Themen für den Maschinenbauer wie richtige Encoder-Position, Reaktions- vs. dynamische Kraftberechnungen und wie man einen hochdynamischen Direktantrieb am besten mechanisch in die Maschine integriert.

Darüber hinaus kann durch verschiedene fortschrittliche computergestützte Simulationstechniken die mechatronische Leistung validiert und eine Fehlersuche am Design durchgeführt werden, bevor die erste Maschine gebaut wird. Auch im Feld, vor und nach einem Retrofit oder Umbau, können die derzeit verfügbaren mechatronischen Dienstleistungen zur Produktanwendungsbestimmung, vollständigen Leistungsanalyse und Steuerungskompatibilität genutzt werden. Während die Leistung eines neuen Motors oder Antriebs durch die mechatronische Analyse als zufriedenstellend angesehen werden kann, können andere mechanische, elektrische oder elektronische Komponenten fehlen. Gerade durch diesen ganzheitlichen, integrierten Ansatz verdient sich die Mechatronik schnell ihren Platz im Gesamtkonzept der Maschinenentwicklung und -nutzung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es angesichts der heutigen Betonung von Kostendämpfung, Energieeffizienz und höherer Produktivität bei jeder Art von Maschinendesign zwingend erforderlich ist, alle praktikablen Optionen auszuloten. Bei der Auslegung des Antriebsstrangs vieler Maschinen werden sich die in diesem Beitrag beschriebenen Vorteile von Torquemotoren positiv auf die Gesamtprojektergebnisse auswirken. Torquemotoren bieten große Flexibilität bei Design-, Nachrüstungs- und Umbauanwendungen und verfügen über erweiterte Fähigkeiten, die sich für ihre Implementierung in mehr Maschinentypen einsetzen.

Weitere Informationen zu Torquemotoren erhalten Sie bei Siemens Industry Inc., Drive Technologies – Motion Control, telefonisch (847-640-1595), E-Mail [email protected] oder im Internet (www.usa.siemens.com /Bewegungssteuerung).

Vier Fotos oben:Hohlwellen-Torquemotoren bieten verschiedene Design-Integrationsoptionen in Verbindung mit fortschrittlichen Leistungsmerkmalen für höhere Energieeffizienz, erhebliche Komponentenreduzierung und deutlich geringeren Platzbedarf in modernen Maschinenantriebssträngen.

Vier Fotos unten:Typische Anwendungen für moderne Torquemotoren von heute sind a) Gießmaschinen für Kunststofffolien, b) Druckmaschinen, c) Umrüstgeräte und d) Drehtische für Werkzeugmaschinen.