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Fachartikel vom 04/30/2013

Kernansatz von Embedded-Motion

Ein neuer Begriff für moderne Antriebstechnik

Embedded-Motion ist ein Designansatz um bessere, effizientere und kostengünstige Maschinen zu bauen. Dieser Ansatz ist eigentlich nicht neu; er wird bereits seit vielen Jahren im Sondermaschinenbau angewandt. Trotzdem sind die Vorteile dieser eingebetteten Antriebstechnik nicht jedem Konstrukteur bekannt und die wesentlichen Vorteile werden nicht immer konsequent und vollständig ausgeschöpft.

Bild: Maccon
Robotergreifer- und Kamerastabilisierungsantriebe (Bild: Maccon)

Den Begriff Embedded-Control, wenn also die Intelligenz hardwaretechnisch zum Bestandteil des Zielsystems wird, kennt jeder Techniker. Bei Embedded-Motion geht es jedoch nicht nur darum die Intelligenz sondern auch den Elektromotor und seine Steuerung zu integralen Bestandteilen der Maschine zu machen. Damit diese Art der Integration möglich wird, muss der Motor und gegebenenfalls. sein Feedback-Sensor in Kit-Form sprich Teiele eines Baujkastens bezogen werden. Das heisst der Antriebslieferant muss seine Motoren ohne Gehäuse als getrennte Stator und Rotorteile liefern. Das Gleiche gilt für die Sensorik; es gibt aber durchaus kompakte Einbauenkoder, die voll geschützt und eigen-gelagert sind; diese haben den Vorteil, dass die Robustheit und Genauigkeit durch Montageungenauigkeit kaum beeinträchtigt werden. Elektromotoren sind auch in Form eines modularen Baukastens robust; der Umgang mit diesen Motoren ist unproblematisch, auch bei modernen permanenterregten Motoren. Die modulare Anordnung bringt jedoch eine Reihe wesentlicher Vorteile mit sich:

  • Da der Motor in der Maschine sitzt, entfallen zwei Lager, viel Mechanik und eine Kupplung (der Motor braucht kein Gehäuse und keine eigene Lagerung mehr)
  • Die Anordnung ist kompakter und leichter,
  • Die Welle ist kürzer und besteht nicht mehr aus zwei Teilen, sie ist steifer und hat eine geringere Trägheit. Dadurch wird das System dynamischer und die Eigenresonanzen geringer. Letztendlich wird das System schneller, genauer und energiesparender
  • Die Motorelektronik (Steuerung und Leistungsteil) wird zusammen mit der Steuerungselektronik realisiert, gegebenenfalls auf der gleichen Steuerplatine
  • Idealerweise wird die Elektronik in der Systemmechanik integriert. Dadurch werden Verbindungswege kürzen (Stecker und Kabel entfallen), die elektromagnetische Verträglichkeit wird besser
  • Ein besseres Wärmemanagement ist möglich, da alle Einbauverhältnisse bekannt sind
  • Es gibt Anwendungen, die aufgrund der Forderungen bezüglich Abmessung beziehungsweise Eigengewicht ohne den Embedded-Motion-Ansatz nicht möglich wären
  • „Last but not least“ wird die Anordnung in der Serie meist kostengünstiger, da die Menge des benötigten Materials und die Gesamtanzahl der Montageschritte geringer ausfallen

Optimierung der Maschinenauslegung

Bild: Maccon
Motorbausatz (Bild: Maccon)

Wie geht man nun vor, um diese Vorteile zu nutzen? Der erste Ansatz ist es wohl, Motorkomponenten zu verwenden, die mechanisch am besten zu den Einbaubedingungen passen; außerdem sollte die Anordnung einfach gewählt werden; das heisst möglichst ohne Getriebe, daraus folgt, einen Direktantrieb zu verwenden. Es gibt jedoch eine Schwierigkeit bei der Auswahl eines Direktantriebes für Embedded-Motion-Anwendungen; meistens werden Motoren angeboten, die relativ wenig Moment liefern, jedoch hohe Drehgeschwindigkeiten haben. Eine Lösung ist ein Torquemotor, der hohe Momente bei geringen Geschwindigkeiten generiert – in der gleichen Baulänge kann damit eine Getriebestufe von bis zu 10:1 ersetzt werden. Zu diesem Zweck wird der Motor mit vielen Polen und größerem Durchmesser ausgestattet; wegen der hohen Polzahl fällt der Statorrücken schmäler aus.

Es sollten auch Motorkomponenten eingesetzt werden, die jede für sich einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Bei modernen Servomotoren und –controllern liegt der Wirkungsgrad am günstigsten Arbeitspunkt aber bereits bei 95 Prozent und höher – da gibt es nicht viel mehr einzusparen! Aber Wirkungsgrad ist nicht gleich Effizienz (siehe Box 1 – „Energieeffizienz bzw. die Motorkonstante“). Es lässt sich noch viel Energie durch den intelligenten Betrieb und ein überlegtes, mechanisches Design sparen. Die meisten Servomotoren brauchen einen Positionsgeber. Bei permanentmagneterregten Servomotoren reichen Hall-Effekt-Sensoren für die Kommutierung und grobe Positionsüberwachung aus, die als integrale Bestandteile von Kit-Motoren geliefert werden können.

In Maschinen wird oft mehr Energie durch die Beschleunigung der Bewegungsachsen als durch Verrichten mechanischer Bearbeitungs- beziehungsweise Nutzarbeit verbraucht. Da auf jedem Beschleunigungsvorgang ein Bremsvorgang folgt, kommt es wiederholt zur Energievernichtung. Die Bremsenergie wird meistens nicht verwertet, sie wird in Bremswiderständen in Wärme umgewandelt. Bei Mehrachs-Maschinen gibt es eine mögliche Abhilfe. Durch geschicktes Überlappen von Beschleunigungsvorgängen einer Achse mit Bremsvorgängen einer anderen, lässt sich die durch Bremsregeneration gewonnene Energie gleich wieder für die Beschleunigung an einer definierten Stelle der Maschine verwenden. In den meisten Maschinen beziehungsweise in deren einzelnen Achsen verbringen die Motoren ihre Zeit hauptsächlich im Stillstand. In diesem Betriebszustand wird ein nicht unerheblicher Stand-By-Energieanteil gefordert. Solange ein Stillstandsmoment durch eine aktive Regelung nötig ist, kommen die I²R-Verluste in der Motorentwicklung zum Tragen. Bei der Auslegung sollte deshalb immer untersucht werden, inwieweit es Sinn macht, diese Achsen im Stillstand völlig abzustellen. Hierzu müssen die Achsen meistens mechanisch verriegelt werden (siehe Box 2 – „Haltebremsen“).

Bild: Allied Motion
Lupe
Typische Torquemotoren (Bild: Allied Motion)

Die Vorteile der Entwurfsansätze von Embedded-Motion lassen sich am besten in konkreten Anwendungen aufzeigen. Hier zwei Beispiele: Es handelt sich um Motorenanwendungen, die ohne die komplette Integration eines zugeschnittenen Kit-Motors in die Zielmechanik, nicht realisierbar wären. In beiden Fällen ging es um die Realisierung extrem kurzbauender Direktantriebe einschließlich Drehgeber und optionaler Haltebremsen, die sonst – von ihrem Abmessungen her nicht in die jeweilige Maschine gepasst hätten. (Bild 1). Bei der ersten Applikation handelt es sich um einen schnellen Greifer für einen Schweißroboter (Direktantrieb, da das Motorenmoment im Stillstand präzise gesteuert werden muss). Hier war es wichtig, die mechanische Breite von Motor, Geber und Haltebremse, möglichst klein zu halten. Im zweiten Anwendungsfall geht es um eine 2/3-Achsenausrichtung und die damit verbundene Stabilisierung einer Kamera beziehungsweise eines Sensors (Direktantrieb, da die Stabilisierung sowie die Ausrichtung der Kamera auf das Ziel eine völlig Hysteresefreie Motorenregelung um Geschwindigkeit Null erfordert).

Entwicklungsunterstützung

Bild: Maccon
Zwei Beispiele für kompakte Federdruckbremsen, die speziell für Hohlwellen und Direktabtriebe geeignet sind (Bild: Maccon)

Bei Embedded-Motion wird der Motor Bestandteil der Zielmechanik. Dies bedeutet, dass der Anbieter über eine große Modellpalette verfügen muss, damit die Chancen einer geglückten Integration des Motors in die Anwendung erhöht werden. Die Motormechanik beziehungsweise Motorwicklung müssen gegebenenfalls. angepasst werden können. In vielen Fällen – speziell für Serien mittlerer und höherer Stückzahlen - lohnt es sich ein eigenes Design zu realisieren. Der Anbieter sollte über alle diese Möglichkeiten verfügen. Es wird auch immer wichtiger, dass er über einen flexiblen Designservice und eine kostengünstige und schnelle Fertigung für Prototypen und Kleinserien verfügt. Am besten sollte der Anbieter auch in der Lage sein geeignete Antriebs- und Steuerungselektronik zu liefern oder sogar neu zu entwickeln. Obwohl die Elektronik nicht Thema dieses Beitrages ist, gelten viele der präsentierten Argumente und Designansätze gleichermaßen auch dafür.

Fazit

Durch konsequente Anwendung der beschriebenen Prinzipien von Embedded-Motion können bessere Maschinen entworfen und hergestellt werden. Vor allem die Leistung und Energieeffizienz werden verbessert. Letztere kann noch zusätzlich durch Optimierung der Betriebsabläufe erhöht werden. Es geht hierbei um die Minimierung der Anzahl und der Dynamik der erforderlichen Positionierungsvorgänge sowie um die höchst mögliche Überlappung von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen zwischen den einzelnen Achsen. Ein letzter Tipp: bei der Auslegung von dynamischen Maschinen und Anlagen stets versuchen, die Massenträgheitswerte zu minimieren.

Autor:

Ted Hopper ist Geschäftsführer der Maccon GmbH in München

Energieeffizienz beziehungsweise Motorkonstante

Über 40 Prozent der erzeugten, elektrischen Leistungen werden zum Betrieb von Elektromotoren verwendet. Dabei geht bereits ein signifikanter Anteil der Energie verloren, und das obwohl die Motoren schon effizient in Maschinen und Anlagen, wie beispielsweise Pumpen, Kompressoren, Gebläsen, Aufzügen, Förderantrieben, Traktionsantriebenund so weiter. betrieben werden. Es lassen sich aber bereits bei deren Entwurf und ihrer Auslegung eine Menge elektrische Energie und Verschleiß sowie die damit verbundenen Kosten einsparen. Üblicherweise wird die Energieeffizienz eines Elektromotors als Wirkungsgrad verstanden, das heisst das Verhältnis der mechanischen Ausgangsleistung zu der elektrischen Leistung auf der Eingangsseite. Die Wirkungsgradwerte moderner Servomotoren werden richtigerweise mit > 90 Prozent angegeben. Allerdings werden diese Werte bei einer Drehzahl von 3.000 UpM und mehr angegeben. Das Problem dabei, in vielen Maschinen und Anlagen laufen die Motoren selten so schnell!

Frage: Wo liegt der Wirkungsgrad eines Torquemotors? Antwort: Bei nahezu 0%!

Bei hohen Haltemomenten im Stillstand oder bei geringer Geschwindigkeit wird kaum mechanische Leistung in die Last übertragen, obwohl viel elektrische Energie verbraucht wird. Diese Verluste äußern sich hauptsächlich durch eine höhere Wärmeentwicklung. Auch bei der Beschleunigung wird letztlich unterm Strich nichts gewonnen. Die kinetische Energie, die in die Last übergeht, wird beim Bremsen anschließend wieder vernichtet. Bei Positioniersystemen, besonders bei direkt angetriebenen ohne mechanischer Übersetzung zwischen Motor und Last, befindet sich der Motor meistens im Stillstand. Um die Effizienz bei diesem System zu steigern, ist es daher wichtig, die Energie zu minimieren, die zur Erzeugung eines Drehmoments benötigt wird. Der entscheidende Gütefaktor, dieser Betriebsart ist die Motorkonstante (Km). Sie sagt aus, wie viel elektrische Energie (in Watt) benötigt wird, um ein mechanisches Drehmoment (in Nm) zu erzeugen. Da das Drehmoment bei einem elektrisch betriebenen Motor proportional dem Strom entspricht, ist das Verhältnis Watt zu Nm, dem ohmschen Gesetz zur Folge quadratisch.

Km = Nm/W^1/2 = Kt/Rm

wobei Kt=Drehmomentkonstante (Nm/A)

und Rm=Wicklungswiderstand (Ohm)

Da Drehmomentkonstante und Wicklungswiderstand für eine bestimmte Motorengröße in einem ähnlichen Verhältnis zueinander stehen, bleibt die Motorkonstante für den gleichen Motortyp weitgehend unverändert, unabhängig davon wie die Wicklungsdaten gewählt wurden. Allgemein lässt sich sagen, dass die Motorkonstante mit der Motorengröße steigt; je mehr Kupfer in der Motorwicklung ist, desto geringer der Wärmeverlust. Ein größerer Motor bringt jedoch Nachteile mit sich, nicht nur mit mehr Gewicht und Kosten, sondern es muss auch mit einer höheren Trägheit gerechnet werden.

Haltebremsen

Um Energie zu sparen und die Systemeffizienz weiter zu steigern gibt es eine einfache Methode – abschalten! Selbst die Autoindustrie hat diese Binsenweisheit verstanden, siehe zum Beispiel „Efficient Dynamics“. Bei Positionierantrieben muss die Achse in der Abschaltposition üblicherweise gehalten werden. Das bedeutet, entweder ist die angeschlossene Mechanik selbsthemmend (mit Trapezspindel) oder es wird eine Haltebremse benötigt. Da gibt es eine Reihe von Standardlösungen, zum Beispiel Federdruck- oder Permanentmagnetbremsen, die mit Luftdruck oder elektromagnetisch betätigt werden (mechanische Feder- beziehungsweise magnetische Kraft schließt die Bremse, sobald der Luftdruck oder der Strom abgeschaltet wird). Allerdings sind diese Bauformen für Direktantriebe ungeeignet. Daher hat Maccon zwei weitere Bauarten entwickelt, die sich leicht skalieren lassen. Beide schließen mit mechanischem Federdruck; die Betätigung beziehungsweise das Lüften ist elektrisch.

Bei der ersten Bremseinheit handelt es sich um eine kurzbauende Einheit, die sich leicht auf die Welle eines Servomotors montieren lässt. Da die Bremsscheiben eigentlich ringförmig sind, kann diese Bauart auch bei Hohlwellenanwendungen eingesetzt werden. Die Besonderheit ist hier die leichte Skalierbarkeit im Durchmesser und die kurze Baulänge von nur etwa 12 mm, unabhängig vom Durchmesser. Mit dieser Anordnung lassen sich Bremsmomente von 3 bis 50 Nm bestens realisieren. Die zweite Variante wurde von der klassischen Scheibenbremse abgeleitet. In diesem Fall sitzt die runde Bremsscheibe um den Motor und besteht aus dünnem Federstahl. Obwohl die Scheibe großflächig ist, bleibt sie leicht und rotationssteif. Da sie in Achsrichtung flexibel ist, lässt sie auch einen leichten axialen Versatz der Lagerung zu. Die Bremsbacken können einzeln oder wie abgebildet paarweise dazu montiert werden.

Diese Bremsenart ist ideal für Torquemotoren geeignet, wobei das Bremsmoment, entsprechend der Dimensionierung des Torquemotors mit einem größeren Durchmesser, automatisch zunimmt. Diese Bremsen beziehungsweise ihre Ansteuerung werden so dimensioniert, dass wenig Energie während des Betriebs benötigt wird um sie offen zu halten, nur bei Betätigung (beim Lüften) muss mehr Strom fließen. In Bild 4 kann man den Ansatz einer weiteren Haltebremsvariante erkennen. Um den Rotor herum ist ein kurzes Trommelstück zu sehen, das von einer Metallbandschleife umschlossen wird. Dieses Band wird von einer Feder angezogen, um eine Bremswirkung zu erzielen. Ein Elektromagnet wird verwendet, um die Anzugskraft und damit das Haltemoment aufzuheben. Bremsen kommen auch dann zum Einsatz, wenn die Stillstandsposition gehalten werden muss, wenn der Motor stromlos wird – eine häufige Betriebs- beziehungsweise Sicherheitsbedingung!