Innovationsforum Automation 2019 Die Brücke zu mehr Effizienz

Redakteur: Anne Richter

Ein Asynchronmotor ist zu gross und nicht effizient genug? Ein Servomotor zu wenig robust und zu kostspielig? LeanMotor ist die innovative, patentierte Antwort respektive Lösung aus dem Hause STÖBER mit dem Ziel, die Kunden noch wettbewerbsfähiger zu machen.

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Abbildung 5: Beispiel für einen möglichen Systemaufbau.
Abbildung 5: Beispiel für einen möglichen Systemaufbau.
(Bild: Stöber)

Warum encoderlos? Ein Encoder stellt ein relativ komplexes Bauteil dar, welches zur Signalerzeugung auf optischen, induktiven oder kapazitiven Prinzipen beruht und schlussendlich das Signal in elektronischer Form bereitstellt. Das Verbauen eines solchen ist u. a. mit erheblichen Kosten und einer zusätzlichen Ausfallwahrscheinlichkeit verbunden, welche stark vom Verwendungszweck oder Einsatzgebiet abhängig ist. Ein Verzicht auf dieses Bauteil würde somit bei vielen Anwendungen Vorteile bringen.

Allgemeine Ausführungen: Nach dem Prinzip «Bridge the Gap» (schliesst die Lücke zwischen Asynchron- und Servomotor) hat STÖBER Antriebstechnik dies kompromisslos in Form des encoderlosen LeanMotors umgesetzt. Da der LeanMotor die positiven Eigenschaften von Asynchron- und Servomotoren vereint, ist er immer dann die perfekte Lösung, wenn diese Eigenschaften gleichzeitig benötigt werden. Wo sich der LeanMotor zwischen der STÖBER Servo- und Asynchronwelt positioniert, entnehmen Sie Abbildung 1.

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Encoderlose Lösungsansätze sind an und für sich nichts neues, gewisse Techniken sind seit Jahrzehnten bekannt und werden auch entsprechend eingesetzt. Neu an der Lösung von STÖBER ist jedoch das ausgezeichnete Verhalten des LeanMotors bei langsamen Drehzahlen und im Stillstand! Vielerorts ist es erwünscht, respektive „ein Muss“, den Motor über den ganzen Drehzahl-/Momentbereich bei höchstmöglicher Effizienz und Genauigkeit regeln zu können. Mit einem Encoder, welcher die Rotorlage und Drehzahl ermittelt, ist dies problemlos möglich; ab einer bestimmten Mindestdrehzahl auch mit der vielerorts eingesetzten encoderlosen Vektorregelung (Lage wird durch mathematisches Modell errechnet). Die primäre Herausforderung stellt sich nun, indem man die Einschränkung von der Mindestdrehzahl gegen unten (Stillstand) technisch einwandfrei und kaufmännisch effizient löst.

Für die erfolgreiche Umsetzung war nebst einer konkreten Vision primär ausschlaggebend, dass STÖBER bereits seit einigen Jahrzehnten als Systemanbieter am Markt auftritt (eigene Entwicklung und Fertigung für elektrische Antriebe, Motoren und Getriebe). Diesen Hintergrund zu kennen ist insofern wichtig, da die Innovation auf einem engen Zusammenspiel zwischen Motor und den Antriebsreglern SC6 und SI6 beruht.

Technische Ausführungen

Im Zentrum stand die Frage – was muss getan werden, damit die Rotorposition encoderlos bestimmt werden kann? Die Idee – den Motor selbst als Sensor benutzen! Für das weitere Verständnis ist es wichtig, kurz auf die Bedeutung des Begriffs Anisotropie einzugehen. Unter diesem versteht man allgemein die Richtungsabhängigkeit der physikalischen Eigenschaften eines Stoffes. Übertragen auf den LeanMotor heisst das nun, dass eine Abhängigkeit der Rotorposition und Induktivität angestrebt wird. Ein solches Verhalten erreichen wir, indem die Dauermagnete, im Vergleich zum Servomotor, geometrisch anders angeordnet werden. Beim Servomotor sind die Magnete symmetrisch (auf einem Kreisbogen) und oberflächenmontiert, bei dem neuen LeanMotor vergraben, jedoch ebenfalls symmetrisch angeordnet (siehe Abbildung 2). Diese Anordnung hat zur Folge, dass die Induktivitäten der Windungen im Stator, je nach Lage des Rotors bzw. der Motorwelle, unterschiedliche Werte aufweisen. Dies ist in der Abbildung 3_2 exemplarisch an einem Rotor mit einem Polpaar, tatsächlich gibt es mehrere Polpaare, dargestellt. (Abbildung 3_1 Servomotor)

Diese Eigenschaft wird mittels einem hochfrequenten und überlagerten Signal des Antriebsreglers, welches in die Motorwicklungen eingeprägt wird, von demselben genutzt, um vom Stillstand bis zu einer gewissen Drehzahl (Mindestdrehzahl für Vektorregelung aus Spannungsmodell) jederzeit die Rotorposition bestimmen zu können. Somit hat dieser alle Informationen einerseits für die Kommutierung (Stromübergang von einer Wicklung zur nächsten), was als Grundvoraussetzung u. a. für eine Regelung hoher Güte zwingend notwendig ist und andererseits für die Drehzahlregelung respektive Positionierung. Damit sind auch Merkmale wie guter Gleichlauf, hoher Wirkungsgrad und optimale thermische Auslastung sichergestellt. Die Positionierung ist vergleichbar mit einem Motor mit Inkrementalencoder.

Technische Kennwerte

  • Methode – Stillstand bis 1000 U/Min Hochfrequenzinjektionstechnik - darüber hinaus Vektorregelung basierend auf Spannungsmodell; elektrischer Antrieb zwingend STÖBER-SC6/SI6.
  • Positioniergenauigkeit +/-1° und Drehzahlabweichung < 1% der Nenndrehzahl.
  • Wirkungsgrad bis zu 96% (Effizienzklasse IE5).
  • Encoder- und lüfterlos; Schutzart IP66.
  • Benötigt lediglich ein Standardleistungskabel (Einkabellösung).
  • Optional in Ausführung mit 24 VDC Federdruckbremse.
  • Typische Motorkennlinie (Abbildung 4).

Zurückkommend an den Anfang – ein Asynchronmotor ist Ihnen zu gross und nicht effizient genug? Ein Servomotor zu wenig robust und zu kostspielig? Die Antwort von STÖBER Antriebstechnik lautet – LeanMotor! Dieser ist deutlich kleiner und erheblich effizienter als ein Asynchronmotor. Im Vergleich zu einem Servomotor um einiges robuster und um ca. 30% günstiger. Für weitere Ausführungen verweisen wir an dieser Stelle gerne auf den Fachvortrag und die persönlichen Gespräche anlässlich des Innovationsforums. SMM

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