Maschinenoptimierung durch den Einsatz hochdynamischer Direktantriebe Marcel Möller, Baumüller Nürnberg GmbH

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Annegret Schubert
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1 2. Informationsveranstaltung Volle Kraft. Halbe Kosten. sorapol, Shutterstock.com Maschinenoptimierung durch den Einsatz hochdynamischer Direktantriebe Marcel Möller, Baumüller Nürnberg GmbH Arqum 2015

2 10. Juni 2015 Innovative Ansätze zu elektrischen Antrieben Maschinenoptimierung durch den Einsatz hochdynamischer Direktantriebe be in motion be in motion be in motion be in motion 1

Baumüller Gruppe Hauptsitz: D-90482 Nürnberg,

Brno, Konice, Wu Jiang Systempartner für

3 Baumüller Gruppe Hauptsitz: D Nürnberg, Ostendstraße Standorte: Über 40 Standorte weltweit Mitarbeiter: 1700 Produktion: Nürnberg, Kitzingen, Rossau, Bad Gandersheim, Brno, Konice, Wu Jiang Systempartner für Automatisierungslösungen für den Maschinenbau 2

4 Automatisierungslösungen 3

5 Agenda I. Direktantriebe Einführung und Vorteile II. Rotative Direktantriebe - Langsamläufer Aufbau und Applikationsbeispiele III. Rotative Direktantriebe - Schnellläufer Aufbau und Applikationsbeispiel IV. Lineardirektantriebe Aufbau und Applikationsbeispiel V. Zusammenfassung und Ausblick 4

6 Einführung Was ist ein Direktantrieb: Elektrische Maschine und Arbeitsmaschine sind direkt (starr) miteinander verbunden; die Drehzahl (Geschwindigkeit) der elektrischen Maschine ist identisch mit jener der Arbeitsmaschine. Rotatorischer Energiewandler: Elektrische Maschine n M = n A Translatorischer Energiewandler: Arbeitsmaschine Arbeitsmaschine v M = v A Elektrische Maschine 5

7 Vorteile Durch Substitution mechanischer Übertragungselemente ergeben sich folgende Vorteile: Spielfreier Antrieb höhere Positionier- und Wiederholgenauigkeit hohe Regelsteifigkeit hohe Produktqualität Hohe Systemdynamik hohe mechanische Steifigkeit erhöhte Produktivität Geringere Service- und Wartungskosten Bauteilreduzierung höherer Systemwirkungsgrad niedrigere Lebenszykluskosten 6

8 Vorteil - Systemwirkungsgrad Drehstrom Synchronservomotor: p = 5 [P N = 2kW; M N = 6,3Nm; n N = /min] 7

9 Vorteil - Systemwirkungsgrad der Motorwirkungsgrad ist eine Funktion von Drehmoment und Drehzahl die Betrachtung im Nennpunkt ist insb. bei zyklischen Bewegungsprofilen unzureichend 8

10 Vorteil - Systemwirkungsgrad Drehstrom - Synchron - Torquemotor: p = 25 [P N = 121 kw; M N = 5800Nm; n N = 200 1/min] 100% Nenndrehmoment 75% Nenndrehmoment 50% Nenndrehmoment 25% Nenndrehmoment bei langsam laufenden Direktantrieben steigt der Motorwirkungsgrad im Teillastbereich (konstante Drehzahl) aufgrund der dominierenden Kupferverluste an 9

11 Agenda I. Direktantriebe Einführung und Vorteile II. Rotative Direktantriebe - Langsamläufer Aufbau und Applikationsbeispiele III. Rotative Direktantriebe - Schnellläufer Aufbau und Applikationsbeispiel IV. Lineardirektantriebe Aufbau und Applikationsbeispiel V. Zusammenfassung und Ausblick 10

12 Aufbau Ziel: Moment Drehzahl Werkzeug: Motorkonzept: M ~ A x B δ x d² x l Fe M ~ p f ~ p x n P vfe ~ f² x B² hochpoliger und permanent erregter Synchronmotor optionale Flüssigkeitskühlung geringer Schlankheitsgrad (λ = Länge/Durchmesser) 11

13 Aufbau eines Synchron - Torque-Motors Schema eines Torque- Motors mit Polspulen Magnetläufer Polspulen Rotor Stator mit Polspulen Magnete 12

Aufbau Mechanische Ausführungen: Vollwelle Hohlwelle

Mediendurchführung Typische Eigenschaften: flüssigkeitsgekühlt

Axialkräften Integrationsgrad Nenndrehmomente bis ca. 50.

14 Aufbau Mechanische Ausführungen: Vollwelle Hohlwelle integriertes Drucklager Bausatz Standardausführung Mediendurchführung Typische Eigenschaften: flüssigkeitsgekühlt mit Schutzart IP54 Achshöhen: 135 bis 650mm Aufnahme von Axialkräften Integrationsgrad Nenndrehmomente bis ca Nm; Überlastfaktor ca. 1,5 bis 2 Nenndrehzahlen ca. 100 bis /min 13

Applikationsbeispiel - Extruder Substitution der Motor Getriebekombination durch Direktantriebstechnik Beispielrechnung: Steigerung des

15 Applikationsbeispiel - Extruder Substitution der Motor Getriebekombination durch Direktantriebstechnik Beispielrechnung: Steigerung des Systemwirkungsgrads um 10% Wellenleistung: 100 kw Jahreseinsatzstunden: 7200 h/a Energiekosten: 0,08 /kwh Einsparung: ca /Jahr 14

16 Applikationsbeispiel - Extruder 70 Energy Consumption vs. Extruder Speed (Consumed Power Comparison vs. AC Geared/Belted Drive) 60 % kw Consumption of AC Geared/Belted Drive & Motor DC Geared/Belted: Drive & Motor AC Geared/Belted: Drive & Motor Baseline Direct Drive: Drive & Motor DC Polypropylen DC Polyethylen-HD AC DD Polypropylen DD Polyethylen-HD Extruder speed (RPM) Quelle: Davis-Standard, Direct Drive Extruders,

17 Applikationsbeispiel - Extruder 90 Sound Levels vs. Screw Speed (Sound Level (db) vs. RPM) 85 DC Geared/Belted: Drive & Motor 80 DC Polypropylen Sound Level (db) AC Geared/Belted: Drive & Motor DC Polyethylen-HD AC Polypropylen AC Polyethylen-HD DD Polypropylen DD Polyethylen-HD 60 Direct Drive: Drive & Motor Extruder speed (RPM) Quelle: Davis-Standard, Direct Drive Extruders,

Beispielrechnung: Energieeinsparung um 20 % Schussleistung: 400 kg/h Jahreseinsatzstunden:

18 Applikationsbeispiel Spritzgießmaschine Reduzierung der Energiekosten durch Umstellung der vollhydraulischen auf hybride oder vollelektrische Maschinen mit Direktantriebstechnik Beispielrechnung: Energieeinsparung um 20 % Schussleistung: 400 kg/h Jahreseinsatzstunden: 7200 h/a Energieverbrauch: 1 kwh/kg Energiekosten: 0,08 /kwh Einsparung: /a 17

Applikationsbeispiel Spritzgießmaschine Reduzierung der Zykluszeiten durch Umstellung der vollhydraulischen auf hybride oder vollelektrische Maschinen mit

19 Applikationsbeispiel Spritzgießmaschine Reduzierung der Zykluszeiten durch Umstellung der vollhydraulischen auf hybride oder vollelektrische Maschinen mit Direktantriebstechnik: Beginn der Entriegelung des Werkzeugs nach Abschluss des Kühlvorgangs Verkürzung der Zykluszeit um ca. 30% Steigerung der Produktivität 18

20 Agenda I. Direktantriebe Einführung und Vorteile II. Rotative Direktantriebe - Langsamläufer Aufbau und Applikationsbeispiele III. Rotative Direktantriebe - Schnellläufer Aufbau und Applikationsbeispiel IV. Lineardirektantriebe Aufbau und Applikationsbeispiel V. Zusammenfassung und Ausblick 19

21 Aufbau Ziel: Drehzahl Moment Werkzeug: Motorkonzept: M ~ A x B δ x d² x l Fe α ~ 1/J J ~ d² f ~ p x n P vfe ~ f² x B² niederpoliger Asynchron- oder Synchronmotor hoher Schlankheitsgrad (λ = Länge/Durchmesser) 20

000 1/min Vorteile gegenüber Asynchronmotoren: höhere Temperaturstabilität bessere Regelbarkeit höhere

22 Applikationsbeispiel Verzahnungszentrum Motortechnik: 6 polige permanent erregte Synchronmotoren flüssigkeitsgekühlt Bausatzlösung (Rotor ist GFK bandagiert) Drehzahlen bis /min Vorteile gegenüber Asynchronmotoren: höhere Temperaturstabilität bessere Regelbarkeit höhere Dynamik Motive für die weitere Drehzahlerhöhung: höhere Schnittgeschwindigkeit Quelle: KAPP und NILES Einsatz kleinerer Werkzeuge 21

23 Agenda I. Direktantriebe Einführung und Vorteile II. Rotative Direktantriebe - Langsamläufer Aufbau und Applikationsbeispiele III. Rotative Direktantriebe - Schnellläufer Aufbau und Applikationsbeispiel IV. Lineardirektantriebe Aufbau und Applikationsbeispiel V. Zusammenfassung und Ausblick 22

24 Aufbau Ziel: Kompaktheit Cogging Werkzeug: Motorkonzept: F ~ A x B δ x b Fe x l Fe a ~ 1/m F ~ p f ~ p x v P vfe ~ f² x B² relativ hohe Polzahl, Asynchron- oder Synchronmotor optionale Flüssigkeitskühlung 23

Applikationsbeispiel Leiterplattenbohrmaschine Motortechnik: permanent erregte Synchronmotoren Selbstkühlung Bausatzlösung Polteilung 36mm Kundennutzen der

25 Applikationsbeispiel Leiterplattenbohrmaschine Motortechnik: permanent erregte Synchronmotoren Selbstkühlung Bausatzlösung Polteilung 36mm Kundennutzen der Lineardirektantriebe: variable X/Y Bewegung hohe Dynamik hohe Wiederholgenauigkeit parametrierbares Bewegungsprofil Quelle: Fa. Schmoll 24

26 Agenda I. Direktantriebe Einführung und Vorteile II. Rotative Direktantriebe - Langsamläufer Aufbau und Applikationsbeispiele III. Rotative Direktantriebe - Schnellläufer Aufbau und Applikationsbeispiel IV. Lineardirektantriebe Aufbau und Applikationsbeispiel V. Zusammenfassung und Ausblick 25

27 Vergleich Motortechnologien DC-Motor Synchronmotor (ohne SRM) Asynchronmotor elektrisch erregt permanent erregt elektrisch erregt permanent erregt konstanter Leistung Drehmomentdichte - o - o o Möglichkeiten effizienter Flüssigkeitskühlung o Wirkungsgrad - o o + ++ o Leistungsfaktor o ++ o ++ o Begrenzung der Überspannung Begrenzung Kurzschlussstrom und Kurzschlussdrehmoment ++ (ohne Erregung) (ohne Erregung) Sehr gut Gut Neutral Schlecht Sehr schlecht 26

28 Zusammenfassung und Ausblick Direktantriebe bieten Vorteile hinsichtlich Positionier- und Wiederholgenauigkeit, Lebenszykluskosten sowie Systemdynamik Langsam- und Schnelllaufende Direktantriebe unterscheiden sich sowohl im elektrischen als auch mechanischen Motorkonzept Energieeffizienzbetrachtungen des Motors sind unter Berücksichtigung des Wirkungsgradkennlinienfelds durchzuführen Direktantriebe werden aufgrund der fortschreitenden Marktdurchdringung sowie der ständigen Weiterentwicklung von Werkstoffen und Maschinenkonzepten weiter an Bedeutung gewinnen in Abhängigkeit der Applikationsanforderungen und bestehenden Wachstumsgesetzen von Motordrehmoment und Bauvolumen ist der Einsatz gegenüber Motor- Getriebekombinationen abzuwägen 27

29 Fragen? 28

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 29

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