Hochdynamische Synchron- Servomotoren in innovativer Zahnwickeltechnologie

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1 VDI/VDE-Tagung Elektrisch-mechanische Antriebssysteme Fulda, Oktober 2004 Hochdynamische Synchron- Servomotoren in innovativer Zahnwickeltechnologie Verfasser: Dr. Helmut estler Friedrich Boermann Inhalt: Entwicklungsvorgaben Entwicklungsprozess Meilensteine Zahnwickeltechnologie mechanischer Aufbau Baukastensystem Ausblick CMP = Current controlled Motor - Power

2 1 Entwicklungsvorgaben Mechanische Randbedingungen d L Typ Zentrierg. D z Quadratmaß a Lochkreis d L Wellenende dxl CMP 40 Andere: , x20 9x20,9x22 dxl CMP x23 Andere: 60 72,70,75 75,90 11x23,14x30 CMP x30 Andere: 80 90,92, x30 D z a Maße in mm

3 2 Dynamikentwicklung in den Servomotoren Entwicklungsvorgaben 30 Winkelbeschleunigung [m/kgcm²] CMP40 (S,M) DS56 (M,L,H) CMP50 (S,M,L) CMP63 (S,M,L) CM71 (S,M,L) CM90 (S,M,L) CM112 (S,M,L) Stillstandsmoment Mo [m]

4 3 Dynamikentwicklung in den Servomotoren Entwicklungsvorgaben 30 Winkelbeschleunigung [m/kgcm²] CMP40 (S,M) DS56 (M,L,H) CMP50 (S,M,L) CMP63 (S,M,L) CM71 (S,M,L) CM90 (S,M,L) CM112 (S,M,L) Stillstandsmoment Mo [m]

5 4 Marktforderungen Entwicklungsvorgaben Hohe Dynamik Gängige Abmessungen Hohe Leistungsdichte Hohe Überlastfähigkeit Hohe zul. Querkräfte Getriebe-Direktanbau Resolver/Absolutwertgeber Optionale Haltebremse Spannungs-/Drehzahlstufen Montagefreundliches Design

6 5 Unternehmensforderungen Entwicklungsvorgaben Wenige Sachnummern Getriebe-Direktanbau Steckerkompatibilität Feedback-Kompatibilität Automatisierte Herstellung Geringere Kosten Umrichterleistungs-Kompatibilität

7 6 Entwicklungsprojekt-Team Entwicklungsprozess Produktmanagement Controlling Entwicklung Produktion/Montage Arbeitsvorbereitung Anlagenmanagement Einkauf Qualitätssicherung

8 7 Entwicklungsprojekt-Team Entwicklungsprozess CMP-Servomotor Entwicklungsprozess Produktentwicklung Definition Konzept Machbarkeit Realisierung Bestätigung Feld LH SF Lastenheft PH VSF Serienfreigabe Pflichtenheft Vorserienfreigabe

9 8 Zahnwicklung: Ausführungen Zahnwickeltechnologie Variante sart utzahl Polpaarzahl p Spulenzahl Unterwellen Typ 1 m g (g 1) g - Typ 2 m g (g 2) ( ±1)/2 für ungerade /2±1 für gerade ν 3g < p Typ 3 Einschicht- m g (g geradzahlig) g /2 p/2

10 Zahnwicklung: Ausführungen (Bsp.1) 9 Zahnwickeltechnologie Variante sart utzahl Polpaarzahl p Spulenzahl Unterwellen Typ 1 m g (g 1) g - Typ 2 m g (g 2) ( ±1)/2 für ungerade /2±1 für gerade ν 3g < p Typ 3 Einschicht- m g (g geradzahlig) g /2 p/ Abbildung 5. Abgewickelter Stator mit Zahnwicklung Typ 1, p = 2 u v w x y z Abbildung 6. Wickelschema für Zahnwicklung Typ 1, p = 2

11 10 Zahnwicklung: Ausführungen (Bsp.1) Zahnwickeltechnologie Variante sart utzahl Polpaarzahl p Spulenzahl Unterwellen Typ 1 m g (g 1) g - Abbildung 7. Oberwellenspektrum der Feldkurve für Zahnwicklung Typ 1, p = 2 (C k rechtslaufende Wellen, D k linkslaufende Wellen)

12 11 Zahnwicklung: Ausführungen (Bsp.2) Zahnwickeltechnologie Variante sart utzahl Polpaarzahl p Spulenzahl Unterwellen Typ 1 m g (g 1) g - Typ 2 m g (g 2) ( ±1)/2 für ungerade /2±1 für gerade ν 3g < p Typ 3 Einschicht- m g (g geradzahlig) g /2 p/ Abbildung 8. Abgewickelter Stator mit Zahnwicklung Typ 2, = 9 u x v y w z Abbildung 9. Wickelschema für Zahnwicklung Typ 2, = 9

13 12 Zahnwicklung: Ausführungen (Bsp.2) Zahnwickeltechnologie Variante sart utzahl Polpaarzahl p Spulenzahl Unterwellen Typ 2 m g (g 2) ( ±1)/2 für ungerade /2±1 für gerade ν 3g < p Abbildung 10. Oberwellenspektrum der Feldkurve für Zahnwicklung Typ 2, = 9 (C k rechtslaufende Wellen,D k linkslaufende Wellen)

14 13 Zahnwicklung: Ausführungen Zahnwickeltechnologie Variante sart utzahl Polpaarzahl p Spulenzahl Unterwellen Typ 1 m g (g 1) g - Typ 2 m g (g 2) ( ±1)/2 für ungerade /2±1 für gerade ν 3g < p Typ 3 Einschicht- m g (g geradzahlig) g /2 p/2 Wichtige Kriterien zur Auswahl der geeigneten svariante: iedriges Massenträgheitsmoment Geringes Rastmoment, geringe Drehmomentwelligkeit Hohe Leistungsdichte Motordrehzahl bis 9000min-1 möglich Geringe p p = 3,4

15 14 Bewertung der Magnetkonturen Mechanischer Aufbau SM = Schrägmagnetisierung QBL = Quasi-Brotlaib -Magnete Gemessenes Rastmoment bezogen auf M 0 eines Motors CMP für Schrägmagnetisierung und Quasi-Brotlaib-Magnetkontur

16 15 BP -Bremsenoption / Eckenfreiheit Mechanischer Aufbau -Haltebremse mit otaus-funktion -Einbaubremse (Einspulen-System) -Bremsmomentstaffelung (Tabelle) -24VDC (Anschluß über Leistungsstecker) -Federdruckbremse - kein Service/ keine achstellung möglich -Montagefreundlichkeit, konzipiert für DI 912- Schrauben

17 Motordaten CMP für 400V, vorläufiger Stand (vor Versuchsreihen) 16 Baukastensystem Typ Drehzahl/min -1 M 0 /m I 0 /A I max /A M max /m J mot /kgcm 2 J bmot /kgcm 2 L 1 /mh R 1 /Ω U p0 /V α mot /10 4 s -2 α bmot /10 4 s -2 CMP40S ,4 0,75 3,8 1,6 0,087 0,11 32,7 16,3 22,4 18,87 14, ,4 0,95 4,8 1,6 0,087 0,110 20,5 10,3 17,6 18,87 14, ,4 1,4 7,0 1,6 0,087 0,110 9,9 4,45 12,2 18,87 14,94 CMP40M ,8 1,04 5,2 3,3 0,131 0,166 33,8 14,03 32,3 24,98 19, ,8 1,44 7,2 3,3 0,131 0,166 17,7 7,25 23,4 24,98 19, ,8 1,85 9,3 3,3 0,131 0,166 10,8 4,47 18,1 24,98 19, ,8 3,6 18,0 3,3 0,131 0,166 2,8 1,02 9,3 24,98 19,77 CMP50S ,3 1,54 7,7 4,9 0,332 0,481 27,8 7,1 38,7 14,89 10, ,3 2 10,0 4,9 0,332 0,481 15,5 4,33 27,1 14,89 10, ,3 2,9 14,5 4,9 0,332 0,481 8,12 1,95 21,1 14,89 10, ,3 3,7 18,5 4,9 0,332 0,481 4,4 1,18 14,4 14,89 10,27 CMP50M ,6 3 15,0 9,9 0,567 0,716 14,3 3,22 39,4 17,44 13, ,6 3,9 19,5 9,9 0,567 0, ,96 27,5 17,44 13, ,6 5,7 28,5 9,9 0,567 0,716 4,03 0,84 20,9 17,44 13, ,6 7,6 38,0 9,9 0,567 0,716 2,1 0,51 14,2 17,44 13,80 CMP50L ,9 4,5 22,5 14,8 0,801 0,951 9,8 1,93 39,9 18,49 15, ,9 5,8 29,0 14,8 0,801 0,951 5,4 1,17 27,8 18,49 15, ,9 7,6 38,0 14,8 0,801 0,951 3,2 0,72 21,3 18,49 15, ,9 11,4 57,0 14,8 0,801 0,951 1,4 0,3 14,2 18,49 15,59 CMP63S ,8 2,8 14,0 10,1 1,116 1, , ,04 7, ,8 4 20,0 10,1 1,116 1,410 7,9 1,36 28,4 9,04 7, ,8 5,2 26,0 10,1 1,116 1,410 4,6 0,81 21,7 9,04 7,15 CMP63M ,5 5,4 27,0 19,8 1,862 2,354 7,8 1, ,63 8, ,5 7,8 39,0 19,8 1,862 2, ,6 28,7 10,63 8, ,5 10,2 51,0 19,8 1,862 2,354 2,4 0,36 22,1 10,63 8,41 CMP63L ,2 8 40,0 29,5 2,609 3,298 5,8 0,84 42,1 11,31 8, ,2 11,6 58,0 29,5 2,609 3,298 2,7 0,4 29,1 11,31 8, ,2 14,7 73,5 29,5 2,609 3,298 1,7 0,26 23,1 11,31 8,95 bei VK-Freigabe noch nicht verfügbar fett sind erst ab Februar 2005 intern verfügbar

18 17 Ausblick / Resumée Ausblick -Vorstoß auf neues Marktsegment für SEW -Hoher Anteil an neuen Fertigungstechniken -Hoher Aufwand in der Prozeßeinführung und sicherung: Verzögerungen - 600V- Zwischenkreis auch für kleine Servomotoren: Grenzen - Plug and Play an SEW-Komponenten Viele neue Erkenntnisse für den Aufbau weiterer Servomotoren dieser Art zur Ablösung / Ergänzung vorhandener Reihen Geplante volle Verkaufsfreigabe: Ende 1. Quartal 2005