Kompakte Antriebssysteme für FTS Leistungsstarke BLDC-Innenläufermotoren als treibende Kraft

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Fahrerlose Transportsysteme werden kompakter, stärker und intelligenter. BLDC-Motoren von ebm-papst treiben modulare Antriebe an, die flexibel an Gewicht, Geschwindigkeit und Sicherheitsanforderungen angepasst werden können.

Um in verschiedenen Einsatzfällen flexibel und effizient navigieren zu können, nutzen Fahrerlose Transportsysteme verschiedene Fortbewegungskonzepte. In der Intralogistik kommen in der Regel zwei Methoden zum Einsatz: differentielle oder omnidirektionale Fortbewegung. Sie unterscheiden sich maßgeblich in Manövrierfähigkeit, Platzbedarf und Steuerungskomplexität.

Bei einer differentiellen Fortbewegung wird das FTS durch zwei unabhängig angetriebene Räder und deren Geschwindigkeitsdifferenzen gesteuert. Dadurch hat das Fahrzeug eine hohe Wendigkeit und kann sich auf der Stelle drehen, was besonders in engen Räumen vorteilhaft ist. Allerdings erfordert diese Bewegung komplexe Steuerungsalgorithmen und kann auf unebenen Oberflächen Stabilitätsprobleme verursachen.

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Omnidirektionale FTS dagegen können sich dank spezieller Fahr-Lenk-Systeme in jede Richtung bewegen, auch seitwärts und diagonal. Diese Fortbewegungsart bietet maximale Flexibilität und erlaubt eine präzise Navigation in beengten Umgebungen. Der Nachteil sind höhere Kosten und ein erhöhter Steuerungsaufwand, da mehrere Antriebe gleichzeitig koordiniert werden müssen.

Differentielle Fortbewegung

Radantriebssysteme für fahrerlose Transportsysteme (FTS oder AGV) müssen wesentliche Anforderungen erfüllen: So sind kompakte Lösungen gefragt, die sich dank unterschiedlicher Motorisierung flexibel an die jeweiligen Anwendungsanforderungen anpassen lassen. Oft sind hohe Traglasten gewünscht sowie Überlastfähigkeit beim Bremsen und Beschleunigen. Die Radantriebssysteme müssen zudem immer einen zuverlässigen und sicheren Betrieb garantieren und dabei möglichst auch durch ihr Preis-/Leistungsverhältnis überzeugen.

Ein gelungenes Beispiel ist das von der b-drives GmbH entwickelte, sehr kompakte eWheel (Bild 1) für bidirektional navigierende Fahrzeuge in dem BLDC-Motoren von ebm-papst verbaut sind. „Mit dem eWheel bringen Transportsysteme auch große Traglasten auf engstem Raum sicher ans Ziel. Dank der ECI Motoren ist es aktuell das kompakteste System auf dem Markt, es lässt sich einfach integrieren und ist modular konzipiert“, so Dr. Robert Michel, Produktmanager bei b-drives.

Flexible Auslegungsmöglichkeiten

Die Module mit zwei angetriebenen Rädern sind als Baukastensystem aufgebaut und stehen in sechs Motorbaugrößen, drei Getriebeuntersetzungen und fünf Raddurchmessern zur Verfügung. Dadurch hat der Anwender die Wahl zwischen unterschiedlichen Baulängen von 109 bis 238 mm bei maximalen Geschwindigkeiten von 0,7 bis 3,7 m/s. Da die in den Anwendungen geforderten Drehmomente ebenfalls unterschiedlich sind, bietet der Baukasten auch hier Auswahl.

Bei der kleinsten Baulänge liegen die maximalen Drehmomente beispielsweise zwischen 29 und 100 Nm und bei der größten zwischen 53 und 100 Nm. Allen Ausführungen gemeinsam ist die hohe Traglast von bis zu 500 kg pro Rad. Passend zu den Motoren bietet b-drives auch einen Doppelachs-Regler mit bis zu 80 Aeff Spitzenstrom, CANopen und Safe Torque Off (STO). Falls andere Bussysteme wie beispielsweise ProfiNET oder EtherCAT gewünscht werden, gibt es auch hierfür die entsprechenden Einzel-Elektroniken.

Antriebe aus dem Baukasten

In den Radantrieben kommen zwei Motortypen zum Einsatz: Der bürstenlose, elektronisch kommutierte Innenläufermotor ECI 63 mit 63 mm Durchmesser (Bild 3), und der größere ECI 80 mit 80 mm Durchmesser (Bild 4). Mit Statorbaulängen von 20, 40 oder 60 mm decken die ECI 63 Motoren den Leistungsbereich von 150 bis 370 W ab, bei bis zu 880 mNm Nenndrehmoment und 4.000 U/min Nenndrehzahl. Ihr Wirkungsgrad liegt bei über 90 Prozent. Bei den ECI 80 Motoren stehen die gleichen drei Statorbaulängen zur Verfügung; die Nennleistungen reichen hier bis 750 W.

„Die Motoren stehen in Schutzkleinspannung von 24 und 48 V zur Wahl, so dass b-drives mit den Motoren von ebm-papst die Radantriebe auch in diesem Punkt sehr einfach an die jeweilige Applikation anpassen kann“, ergänzt Steffen Schmidt, Market Manager Intralogistics bei ebm-papst. Durch die Schutzkleinspannung ist die Anforderung an die Dokumentation überschaubar und die Inbetriebnahme vereinfacht möglich. Auch die Überlastfähigkeit der Motoren bis zum dreifachen Nenndrehmoment ist für den Einsatzbereich wichtig, vor allem beim Anfahren mit großen Lasten oder wenn das FTS Schrägen oder Unebenheiten überwinden muss.

Die im Antriebsregler integrierte STO-Funktion (Safe Torque Off) sorgt ebenfalls für ein sicheres Halten (PLe). Haltebremse und STO lassen sich auch gemeinsam auslösen. Außerdem lässt sich die Geschwindigkeit des Antriebs von einer geeigneten Steuerung sicher überwachen (Safe Limited Speed) und sicherstellen, dass sich das Fahrzeug nur in die freigegebene Richtung bewegt (SDI, Safe Direction). Dafür haben die Motoren standardmäßig zwei unabhängige Gebersysteme: die integrierten Hallsensoren zur Kommutierung und einen hochauflösenden Inkrementalencoder zur Regelung.

Durch den Abgleich beider Signale kann die Elektronik die Drehzahl funktional sicher erfassen. Bei Bedarf kann ein alternativer Geber eingesetzt werden, z.B. ein Sin/Cos-Geber oder ein TTL- bzw. HTL-Inkrementalgeber. Zudem ist es auch möglich, Sicherheitsfunktionen über PROFIsafe zu nutzen. „Die ECI-Motoren sind kompatibel zu Simatic Micro-Drive; wir können dann im Radmodul den entsprechenden Encoder einbauen“, erklärt Dr. Michel. Das innovative, kompakte und vielseitig einsetzbare Radmodul wird sich durch diese Flexibilität ein breites Einsatzfeld erschließen, zumal es auch durch das gute Preis-/Leistungsverhältnis überzeugt.

Omnidirektionale Fortbewegung

In Anwendungen, bei denen es auf Wendigkeit, Traglast, Dynamik oder eine gute Feinpositionierung ankommt, sind meist omnidirektionale Fahrzeugkonzepte im Einsatz. ebm-papst bietet dafür mit dem ArgoDrive das passende Fahr-Lenk-System inklusive Rad an. Jede Antriebseinheit besteht aus zwei bürstenlosen DC-Motoren, Getriebe, Sensorik und Anschluss-Steckern. Die beiden ECI 63 Motoren mit Statorbaulänge 20 mm tragen durch ein Überlagerungsgetriebe je nach Anforderung zum Lenken, Beschleunigen, Fahren oder Bremsen bei. Ist das Rad ausgerichtet bzw. findet keine Lenkbewegung statt, kann die komplette Leistung beider Motoren für das Fahren genutzt werden; dies macht das ArgoDrive einzigartig und besonders effizient.

Mit nur 300 W Nennleistung für beide Motoren kann es in den Ausführungen Light, Standard und Heavy Lasten bis 100 kg, 300 kg, beziehungsweise 500 kg pro Antriebseinheit bewegen. Der unendliche Lenkwinkel ermöglicht die Flächenbeweglichkeit des Fahrzeugs, auch aus dem Stand. Für omnidirektionales Fahren werden mindestens zwei ArgoDrive pro Fahrzeug benötigt. Mit zwei einander gegenüber angeordneten Fahr-Lenk-Systemen und zwei Bockrollen können so besonders schmale und wendige FTS realisiert werden. Darüber hinaus lässt sich die Anzahl der eingesetzten Systeme beliebig erhöhen, um die Traglast des Fahrzeugs zu erhöhen. Mit vier Fahr-Lenk-Systemen und vier Bockrollen lassen sich beispielsweise beladene Fahrzeuge mit einem Gesamtgewicht von 4 t omnidirektional und mit hoher Positioniergenauigkeit sehr dynamisch bewegen. (mc)

* Petra Richtsteigerist Market Manager OEM Division Industrial Drive Technology bei ebm-papst; Alex Homburg arbeitet beim Redaktionsbüro Stutensee.

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