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Antriebstechnik von Siemens und RockwellVom Hybridsystem zum doppelten Standard

Karl-Heinz Klumpe

Die KHS-Gruppe bietet die Antriebstechnik ihrer Verpackungsanlagen nun durchgängig in zwei verschiedenen Varianten an.

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GleichstrommotorenEffizient ohne Rast

Ein Eisenkern in Gleichstrommotoren führt zu einem Rastmoment, so dass mehr Energie aufgewendet werden muss, um den Rotor in Bewegung zu setzen. Und dies wiederum hat eine starke Welligkeit im erzeugten Drehmoment zur Folge. Maxon Motor zeigt, dass es auch anders geht: Kurze Hochlaufzeiten und ein ruckfreier Lauf - auch bei niedrigen Drehzahlen.

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Gleichstrommotoren: Effizient  ohne Rast

Konventionelle Gleichstrommotoren enthalten einen Eisenkern. Dabei werden die weichmagnetischen Zähne des Rotors durch die in der Nähe befindlichen Permanentmagnete polarisiert und angezogen, die Rotation zum nächstfolgenden Magnetpol erfordert eine Ummagnetisierung. Der Rotor versucht an diesen Vorzugspositionen zu verharren; ohne Bestromung hält der Motor daher nur an ganz bestimmten Stellen an. Dieses so genannte Rastmoment führt dazu, dass einerseits mehr Energie aufgewendet werden muss, um den Rotor in Bewegung zu bringen, andererseits hat es zur Folge, dass das erzeugte Drehmoment eine starke Welligkeit aufweist. Maxon-Motoren hingegen sind rastmomentfrei, da ihr Rotor kein Eisen enthält. Die Konstruktion von selbsttragender, im Magnetfeld drehender reiner Kupferwicklung und feststehenden, im Stator eingelassene Hochleistungs-Neodym-Magnete resultiert in hoher Leistungsdichte. Daraus ergibt sich eine Vielzahl von Vorteilen: Angefangen von kleinen Massenträgheitsmomenten und Induktivitäten, über eine kurze Hochlaufzeit einen ruckfreien Lauf auch bei niedrigsten Drehzahlen bis hin zu geringen Vibrationen und Geräuschentwicklungen. Hinzu kommt eine hervorragende Regeleigenschaft in jeder beliebigen Rotorposition. Zu jedem Motortyp stehen zahlreiche Wicklungen für eine optimale Anpassung an die jeweilige Nennspannung zur Verfügung. Erreicht wird diese Differenzierung durch Variierung des Drahtquerschnitts und der Windungszahl, was in unterschiedlichen Anschlusswiderständen der Motoren mündet. Die Magnetisierung ist fest im Stator eingeprägt, der Rotor hingegen enthält kein Eisen. Deshalb treten auch keine so genannten Eisenverluste auf, die bei konventionellen Motoren durch das fortwährende Ummagnetisieren des Eisens und durch induzierte Wirbelströme entstehen und in Leistungsverlust resultieren. Die Entwicklung von Maxon schlägt sich in hervorragenden elektrischen Eigenschaften nieder; hoher maximaler Wirkungsgrad (typischerweise über 90 Prozent) und tiefer Leerlaufstrom (typischerweise weniger als 50 mA). Diese Antriebe bieten daher die idealen Voraussetzungen für batteriebetriebene auf höchste Effizienz ausgelegte Anwendungen.

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Hoher Wirkungsgrad und kleine Induktivität

Bei Maxon-Motoren entfällt die hohe zusätzliche Induktivität des Eisenkerns. Für die Kommutierung muss daher weniger elektrische Energie geschaltet werden. Bei DC-Motoren (bürstenbehaftete Motoren) kommt noch ein wichtiger Vorteil zum Tragen: Das so genannte Bürstenfeuer – die auftretenden Funken beim Öffnen der Kontakte zwischen Bürste und Kollektorlamelle – ist weniger ausgeprägt. Dies führt zu höherer Lebensdauer und weniger elektromagnetischen Störungen. Der Magnet ist Platz sparend im Zentrum angeordnet. Die gegenüber eisenbehafteten Motoren konventioneller Bauart vorteilhaftere Magnetgeometrie ermöglicht ein effizientes Design des Magnetkreises und eine hohe Induktionsfeldstärke im Luftspalt. Das Massenträgheitsmoment des Hohlzylinders ist gegenüber dem Vollzylinder eines eisenbehafteten Rotors bedeutend kleiner. Dies resultiert in hoher Leistung auf kleinstem Raum, kompakter Bauform mit geringem Gewicht sowie hohe Dynamik und schnelle Beschleunigung mit Hochlaufzeiten von nur wenigen Millisekunden.

Das umfangreiche Produktprogramm umfasst eine Vielzahl von genau aufeinander abgestimmten Komponenten, die zu effizienten Antriebssystemen kombiniert werden können. Motor, Getriebe, Sensorik und Kontroller ergeben dabei ein durchgängig auf verlustarmen Betrieb ausgelegtes Gesamtsystem. Bei den Motoren sind zwei Kommutierungssyteme wählbar; bürstenbehaftete DC-Motoren sowie bürstenlose, elektronisch kommutierte EC-Motoren. Der kleinste bürstenlose Motor misst gerade einmal 6 mm im Durchmesser und leistet mehr als 1.2 Watt, sein Pendant mit 60 mm leistet gut 400 Watt. Die Edelmetallbürsten und -kollektoren bei den DC-Motoren garantieren über eine lange Lebensdauer hinweg eine hohe Konstanz des niedrigen Übergangswiderstandes, auch nach längerem Stillstand. Weitere Charakteristika sind kleine Anlaufspannungen und geringes Elektrorauschen. Der Einsatz des CLL-Systems (CLL: Capacitor Long Life) unterdrückt das Bürstenfeuer und erhöht die Lebensdauer des Kommutierungssystems deutlich. Die Graphitbürsten und Kupferkollektoren eignen sich für den harten Einsatz im Umkehr- oder Start/Stop-Betrieb. Hierbei ist eine Lebensdauer von mehreren zehn Millionen Zyklen problemlos erreichbar. Die elektronisch kommutierten EC-Motoren zeichnen sich speziell durch günstiges Drehmomentverhalten, hohe Dynamik, extrem großen Drehzahlbereich und eine lange Lebensdauer aus. Aufgrund der eingesetzten Wicklungstechnologie und den möglichen Beschaltungsvarianten wie „Stern“ und „Dreieck“ ergeben eine Vielzahl von Motorausführungen. Martin Rüegg, Maxon Motor/st

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