Motion-Control Welcher Motor ist wann der richtige?

Motion-Control-Lösungen aus Deutschland sind international gefragt und die Innovationskraft der Branche dementsprechend hoch. Fassettenreich zeigen sich die Entwicklungstrends in den einzelnen...

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TRACO ELECTRONIC GMBH

RECOM Power GmbH

ebm-papst St. Georgen GmbH & Co. KG

Motion-Control-Lösungen aus Deutschland sind international gefragt und die Innovationskraft der Branche dementsprechend hoch. Fassettenreich zeigen sich die Entwicklungstrends in den einzelnen Disziplinen - generell geht es aber immer in eine Richtung: intelligenter, kompakter und einfacher zu bedienen. Nach den Themen „Frequenzumrichter“ und „Elektrische Antriebstechnik für Bewegen, Positionieren und Einstellen“ in Heft 6/2005, widmen wir uns in dieser Ausgabe der Auswahl eines für die Aufgabe geeigneten Motors.Bewegungen lassen sich auf ganz unterschiedliche Weise erzeugen und daher sind Motorenkonzepte auf die jeweiligen Anforderungen der Antriebsaufgabe abgestimmt. Gleich-, Wechsel- oder Drehstrommotor, Innen- oder Außenläufer, bürstenbehaftet oder elektronisch kommutiert, diese Vielfalt gestattet die Optimierung auf die entsprechende Aufgabe.Um nun dem Anwender das geeignete Antriebskonzept zur Verfügung stellen zu können, haben die Anbieter ein entsprechend breites Motorensortiment. Beim Lüfter- und Antriebshersteller ebm-papst beispielsweise reicht das Standardmotorenprogramm vom Gleichstrommotor mit Bürsten- oder EC-Kommutierung bis zu AC-Motoren. Man will eine Lösung ohne Kompromisse und mit hoher Qualität offerieren.Grundsätzlich baut das Programm des Herstellers auf zwei unterschiedlichen Motorkonzepten auf: Zum einen sind das die Außenläufermotoren mit vergleichsweise hohem Drehmoment und zum anderen die aufgrund ihres kleinen Trägheitsmomentes für hochdynamische Anwendungen besonders geeigneten Innenläufermotoren. Beim Außenläufermotor dreht sich ein glockenförmiger Rotor mit formschlüssiger Motorwelle um einen feststehenden Stator, der die Wicklungen trägt (Bild 1). Die Permanentmagnete umfassen dank größerem Durchmesser des Läufers ein höheres Magnetvolumen. Dies zusammen mit der spe-ziellen Magnetflusskonzentration und dem größeren Luftspaltdurchmesser ergeben bei gleicher elektromagnetischer Kraft ein höheres Drehmoment als bei Innenläufermotoren. Die erhöhte Masse des Außenläuferrotors bedingt jedoch ein höheres Trägheitsmoment, die dynamischen Eigenschaften solcher Motoren sind daher nicht so gut.DC-Vielfalt und AC-Varianten sind ein weites ThemenfeldKommt es auf hohe Dynamik an, sprich schnelle Drehzahl- und/oder Drehrichtungswechsel, so ist der Innenläufermotor die erste Wahl. Hier sind die Magnete zusammen mit dem magnetischen Rückschluss direkt auf der Welle angeordnet und drehen sich im statortragenden Gehäuse (Bild 2). Hochenergetische Mag-netwerkstoffe garantieren eine hohe Abgabeleistung bei geringstem Bauvolumen. Neben diesen beiden unterschiedlichen Aufbaukonzepten unterscheiden sich moderne Elektroantriebe aber auch beim elektrischen Aufbau.EC-Gleichstrommotoren können als kleine leistungsstarke Innenläufermotoren oder drehmomentstarke Außenläufermotoren aufgebaut werden. Die elektronische Kommutierung ermöglicht darüber hinaus unterschiedliche Motorkonstruktionen: Im einfachen Reluktanzmotor sorgt ein pulsierendes Wechselfeld für die nötige Antriebskraft. Die Drehmomentlücken überbrückt ein Hilfsmoment, das den magnetischen Reluktanzeffekt zwischen dauermagnetischem Rotor und weichmagnetischem Stator nutzt. Dazu weicht der Luftspalt gezielt von der Rotationssymmetrie ab (Bild 3). Diese Motoren benötigen nur zwei bzw. vier Leistungstransistoren für ihre Ansteuerung, haben jedoch nur eine Drehrichtung und ein geringes Lastmoment im Stillstand. Einsatzgebiete sind Lüfter, Gebläse, Verdichter und Kreiselpumpen. Drehfeldmotoren dagegen verwenden dreiphasige Wicklungen, die drei- oder sechspulsig mit Strom versorgt werden (Bild 4). Das so erzeugte Drehmoment ist nahezu konstant und unabhängig von der Rotorstellung. Den Vorteilen der beliebigen Drehrichtung und den exzellenten Regeleigenschaften stehen höhere Aufwendungen für Bau und elektronische Regelung gegenüber.Auch bei den AC-Motoren gibt es unterschiedliche Konzepte. So sind die einphasigen, robusten Spaltpolmotoren mit Kurzschlussläufer asymmetrisch zweipolig aufgebaut. Ihre Standarddrehrichtung ist rechts und der Anker läuft meist in wartungsfreien Sintergleitlagern. Der einfache Aufbau macht sie zur preiswertesten Lösung für viele Standardaufgaben ohne höhere Ansprüche an Drehmoment und Leistung. Höhere Leistungsanforderungen erfüllen Kondensatormotoren. Dies sind zwei- oder vierpolige Einphasenmotoren mit Kurzschlussläufer. Die Wicklung ist zweisträngig und der eine Strang über den Betriebskondensator angeschlossen. Bei symmetrisch ausgelegter Haupt- und Hilfswicklung kann die Drehrichtung ohne Leistungseinbußen geändert werden. Auch sie lassen sich als Außenläufermotor bauen. Spaltpol- wie auch Kondensatormotoren ändern mit der Netzfrequenz auch die Belastungskennlinie. Beide sind jedoch konstruktiv an unterschiedliche Frequenzen und Spannungen anpass-bar.Bürstenmotoren sind noch immer aktuelle TechnikAuch altgediente Motorenkonzepte bergen noch Potenzial für Neuerungen. So warten die vom Preis-Leistungs-Verhältnis besonders wirtschaftlichen BCI-Motoren mit einem sehr kleinen Motor-Rastmoment (<2% vom Nennmoment) auf. Ausgeführt mit 8- oder 12-teiligem Anker eignen sie sich besonders für niedrigste Drehzahlen bei hoher Gleichlaufqualität. Die Lebensdauer der Kohlebürsten liegt bei Nennbetrieb über 3000 h, ein EMV-Schutz ist Standard. Eine zusätzliche Leiterplatte verbessert bei hohen Ansprüchen die Motorentstörung. Präzisionskugellager mit Langzeitschmierung und Abdeckung gegen Kohlestaubeintrag reduzieren den Verschleiß. Flansche aus Zinkdruckguss in Industriestandardabmessungen erlauben ihre universelle Befestigung. Standardbetriebsspannung ist 24 VDC, die Leistung reicht von 13 bis 93 W bei 38 bis 270 mNm Nennmoment (Anlaufmoment 190 bis 2500 mNm). Die Drehzahl beträgt je nach Ausführung zwischen 3300 und 3100 U/min. Wahlweise können die Motoren auch mit Planeten-, Schnecken- oder Stirnradgetrieben bezogen werden.Stirnradgetriebe untersetzen in Stufen von 18,8:1 bis 432:1, Planetengetriebe von 3,2:1 bis 180:1 und Schneckengetriebe von 3:1 bis 68:1. Die Drehmomente reichen je nach Motor- und Getriebevariante bis zu 18 Nm. Eine optionale Federdruck-Reibflächenbremse, nachrüstbare magnetische Impulsgeber (2, 4, 6 und 12 Impulse/Umdrehung mit A- und B-Kanal) oder ein optoelektronischer 2-Kanal-Winkelschrittgeber vervollständigen das BCI-Standardprogramm.EC-Motoren für den universellen EinsatzDer elektronisch kommutierte Vario-drive-Motor mit integrierter Kommutierungselektronik löst universelle Aufgaben. Aufgebaut als ein- oder dreiphasiger Außenläufermotor in fünf Baugrößen von 3 bis 100 W bietet er skalierbare Leistung für viele Antriebsaufgaben. Die industrieübliche Betriebsspannung von 12 bis 28 V wird über die interne Elektronik nach internen und/oder externen Vorgaben passend kommutiert. Der hohe Wirkungsgrad, ein breites nutzbares Drehzahlband, bei hoher Drehmomentkonstanz ohne Vibration und ein nahezu geräuschloser Lauf, prädestinieren den Motor für den Einsatz in anspruchsvollen Geräten auch der Medizin- und Bürotechnik. Stirnradgetriebe erweitern das Einsatzspektrum. Als Variodrive Compact arbeitet zusätzlich zur Kommutierungselektronik auch eine Drehzahlregelelektronik mit integriertem Mik-roprozessor im Motorgehäuse. Industrieübliche Schnittstellen erlauben die schnelle Integration in bestehende Steuerungen. Die dreiphasigen Motoren mit Leistungen von 7 bis 115 W und 4-Quadranten-PI-Regler passen sich optimal der geforderten Antriebscharakteristik an. Kundenspezifische Varianten bei Elektronikdesign und Motorauslegung sind ebenso möglich wie externe Betriebselektronik oder spezielle Getriebeausführungen.Der dreiphasige ECA-Außenläufermotor wird über externe Betriebselektronik angesteuert und bietet in vier Baugrößen Leistungen von 10 bis 340 W. Hervorragende Gleichlaufeigenschaften, sehr gute Regelungsmöglichkeit bei absoluter Wartungsfreiheit zeichnen diese Motorenbaureihen aus. Auch hier erweitern passende Getriebe den Einsatzbereich und erlauben Drehmomente bis zu 24 Nm. Für noch größere Leistungen kann man auf M3G-Motoren zurückgreifen. Diese starken EC-Antriebe bringen in fünf Baugrößen zwischen 50 und 3000 W Abgabeleistung an die Welle bei Drehmomenten von 10 bis 2000 Ncm. Präzisionskugellager, eine auf hohe Gleichlaufgüte ausgelegte Kommutierung und eine Rotorlagenerkennung über drei Hallsensoren sorgen für ruhigen Lauf auch bei kleinsten Drehzahlen. Die Nennspannung kann je nach Modell zwischen 24, 48, und 110 VDC gewählt werden oder 230 V bei ein- bzw. 400 V bei dreiphasiger Wechselspannung. Wahlweise steht eine interne oder externe Elektronik mit PWM- oder 0/10-V-Eingang, Blockierschutz, Sanftanlauf und anderen Funktionen zur Verfügung.Dynamische Aufgaben übernehmen die kompakten ECI-Motoren. Dreiphasig elektronisch kommutierte Innenläufer mit Neodymmagneten bieten 90 bis 254 W Abgabeleistung bei 24 V Nennspannung. Drei Hallsensoren erfassen die Rotorlage, Präzisionslager erlauben den wartungsfreien laufruhigen Dauerbetrieb. Unterschiedliche Getriebetypen, z.B. Schnecken- oder Planetengetriebe erweitern auch hier das Einsatzspektrum. Im Durchmesser passende Encoder mit bis zu 4000 Inkrementen pro Umdrehung oder besonders robuste zweipolige Resolver mit 12 Bit je Umdrehung erlauben eine positionsgenaue Ansteuerung.Wartungsfreie AC-Motoren mit hervorragendem GleichlaufBenötigt man Wechselstrommotoren, kann man auf die bewährten Spaltpol- und Kondensatormotoren der Reihen EM und KM zurückgreifen. Die Innenläufer arbeiten in Standardausführung mit 230 V/50 Hz, andere Frequenzen und Spannungen sind auf Anfrage möglich. Die robusten, wartungsfreien EM-Motoren bieten Leistung von 0,5 bis 14,5 W bei Betriebsart S1 (Dauerbetrieb). Die Drehzahl liegt bei 50 Hz zwischen 2100 und 2600 U/min. Für größere Leistungen und/oder Drehrichtungsumkehr stehen die Kondensatormotoren bereit. Leistungen von 31 bis 176 W bei Drehzahlen von 2700 U/min (2-polig) oder 1350 U/min (4-polig) können an der Welle abgenommen werden. Als Getriebemotor haben sie Untersetzungen von 10,5:1 bis 882:1 (Baureihe Gtg 50, bis 12 W und 5 Nm) bzw 15,5:1 bis 275:1 (Baureihe Gtg 92, bis 90 W und 15 Nm).Als Außenläufer-Variante gibt es die AC-Motoren in der Baugrößen 068 und 074 in kurzer Bauart mit hervorragendem Gleichlauf bei geringstem Betriebsgeräusch. Für den Einsatz in Thermostaten oder Getränkekühlern sind die Motoren im Leistungsbereich von 5,3 bis 200 W auch mit Edelstahlwelle erhältlich. Die Drehzahl lässt sich recht einfach über die Betriebsspannung variieren, etwa über Festwiderstände, Spartrafos oder kapazitive Widerstände. Für anspruchsvollere Aufgaben gibt es die Motoren auch mit elektronischer Regelung.

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