DREHGEBER FÜR MOTOREN & ANTRIEBE

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1 DREHGEBER FÜR MOTOREN & ANTRIEBE

2 Für beide Seiten die optimale Lösung Ein Drehgeber wirkt an der Schnittstelle zwischen Mechanik und Elektronik, und beide Disziplinen stellen an ihn sehr unterschiedliche Anforderungen. Die Elektronik verlangt äußerste Zuverlässigkeit und Präzision. Die Mechanik dagegen erfordert eine Beständigkeit gegen hohe Belastungen, Vibrationen und extreme Temperaturen. In Antriebssystemen stellt der Drehgeber die Verbindung zwischen Motor und Frequenzumrichter dar. In dieser Broschüre werden die Kriterien aufgezeigt, die zur Findung einer optimalen Lösung für Mechanik und Elektronik zugleich zu beachten sind. Die Funktion eines Encoders Der Encoder übersetzt eine mechanische Bewegung in ein elektrisches. 3

3 Präzision Funktionsprinzip von Antriebssystemen 5 auf Hochtouren Motor 4 1 Drehgeber Frequenzumrichter 2 3 An einer Papiermaschine durchläuft das Papier den In einem solchen System spielt der Drehgeber 1. Die Motorwelle treibt eine Last mit einem 3. Der Drehgeber sendet fortlaufend Geschwindig Produktionsprozess mit Höchstgeschwindigkeit. Es mit seiner präzisen Rückmeldung von bestimmten Drehmoment an. Bei laufendem keitsdaten an den Frequenzumrichter. wird über eine lange Reihe von Walzen gerollt, die Geschwindigkeitsdaten eine zentrale Rolle. Betrieb sind beabsichtigte Änderungen der 4. Der Frequenzumrichter erkennt die Signale des von verschiedenen Motoren angetrieben werden. Geschwindigkeit möglich, es können jedoch auch Drehgebers und stellt Berechnungen zur erforder Die Geschwindigkeit jedes einzelnen Motors muss Möglichkeiten mit Antriebssystemen unbeabsichtigte Änderungen eintreten, da die lichen Geschwindigkeitskompensation an. überwacht und mit den anderen Motoren in Einklang Unmittelbarer Ausgleich von Abweichungen zur Geschwindigkeit von mehreren Faktoren beein 5. Der Frequenzumrichter steuert die Frequenz und gebracht werden. Beibehaltung einer konstanten Geschwindigkeit. flusst wird, z. B. von variierenden Lasten oder von die Spannung, die die Geschwindigkeit des rotie Präzise Geschwindigkeitsdaten auch bei sehr nied Schlupf. renden Statormagnetfelds regeln. Die sehr genaue Steuerung der Drehzahl ist von rigen Drehzahlen (zum Beispiel beim Starten). 2. Der Drehgeber ist direkt am Rotor montiert größter Wichtigkeit, nicht zuletzt beim Starten Kontrollierte Geschwindigkeitsänderung beim und misst die tatsächliche Geschwindigkeit der und beim Ändern der Antriebsgeschwindigkeit. Bei Beschleunigen. Motorwelle. laufendem Betrieb muss sich die Geschwindigkeit Anpassen der Drehzahl an den jeweiligen Bedarf. der einzelnen Motoren hinsichtlich bestimmter Senken des Energieverbrauchs des Motors durch Elektromotor Das Herz des Drehgebers Faktoren kompensieren lassen, wie z. B. die Elastizität des Papiers. Ist dies nicht möglich, kann das Papier reißen und dies führt zu kostspieligen Betriebsausfällen. Optimierung von Drehmoment und -zahl. Stator rotierendes Magnetfeld Rotor rotierende Motorwelle Der Innenaufbau des Drehgebers basiert auf einer sich drehenden Scheibe mit einer großen Anzahl Messstrichen am Außenrand. Bei einer Impulszahl von 1024 Impulsen pro Umdrehung gibt es 4096 Signaländerungen bei einer Umdrehung. Dies bedeutet, dass der Drehgeber eine mechanische Bewegung von 0,1 Grad erkennen kann und dass pro Umdrehung 4096 Mal eine aktualisierte Geschwindigkeit berechnet werden kann. Hierdurch wird eine unmittelbare Kompensierung von Abweichungen ermöglicht, sodass immer die gewünschte Geschwindigkeit beibehalten werden kann. 4 5

4 Besonders anspruchsvolle Umgebungen Leine & Linde ist auf Drehgeber für Motoren spezialisiert, die in Umgebungen zum Einsatz kommen, bei denen Hitze, Kälte, Regen, Schmutz, mechanische Belastungen und Vibrationen zum Alltag gehören. Dabei haben sich die Produkte bei Anwendungen mit extrem anspruchsvollen Umgebungen dauerhaft und zuverlässig bewährt. Temperatur Explosionsschutz Kapselung Mechanische Beanspruchung, Vibrationen und Die Drehgeber kommen in den verschiedensten Leine & Linde Drehgeber sind für die Verwendung Sämtliche Drehgeber von Leine & Linde sind Erschütterungen Umgebungen zum Einsatz. Einige von ihnen sind im in explosionsgefährdeten Bereichen zuge getestet und für Anwendungen mit Feuchtigkeit Leine & Linde Drehgeber besitzen robuste Lager Winter starker Kälte ausgesetzt, andere dagegen lassen. Standardmäßig erfüllen die Produkte die und Schmutz zugelassen. Das gekapselte Gehäuse und eine vibrationsbeständige Elektronik. Jede sind bei großer Hitze in Betrieb, z. B. in Stahlwerken. Anforderungen an Zone 2/22, es sind jedoch auch hat eine Dichtigkeit gemäß Schutzart IP66 bzw. Anwendung stellt andere Anforderungen an Daher gibt es Drehgebermodelle für unterschiedliche Sondermodelle für den Einsatz in Zonen mit höheren IP67. Die Oberfläche besteht in der Regel aus die Robustheit, was bei der Wahl des Modells Temperaturbereiche zwischen -40 und +100 ºC. Anforderungen erhältlich. anodisiertem Aluminium, das gut gegen Salzwasser beachtet werden sollte. Detaillierte Daten sind beständig ist. Bei den meisten Modellen ist auch eine den Datenblättern zu den einzelnen Modellen zu II 3 G Ex na IIB 120 C Sonderausführung aus rostfreiem Stahl möglich. entnehmen. II 3 D Ex td A22 IP6X T120 C II 2 GD Ex d IIC T6 Ex td A21 IP65 T71 C II 2 GD Ex d IIC T5 Ex td A21 IP65 T91 C II 2 GD Ex d IIC T5 Ex td A21 IP65 T95 C 6 7

5 Der richtige Drehgeber an der richtigen Stelle Leine & Linde bietet gleich mehrere Drehgeberserien an, die sich allesamt in Größe, Robustheit und Funktionalität von einander unterscheiden. Jede Serie enthält eine Großauswahl an Mechanik- bzw. Elektrikoptionen, die im Hinblick auf die jeweilige Anwendung zu wählen sind. Der Konstruktionsleitfaden auf den folgenden Seiten beschreibt die einzelnen Lösungen im Sortiment von Leine & Linde und bietet Richtwerte für die Konstruktionskriterien eines Drehgebers im jeweiligen System. PRODUKTFINDER Unter finden Sie die Produkte Ihrer Wahl. Mithilfe des Produktguides können Sie verschiedene Optionen kombinieren und Ihren eigenen Drehgeber entwerfen. ein detailliertes Datenblatt speziell für Ihre Variante erstellen. Beschreibung Maße 1000 Extreme Sehr robuste Kapselung mit extremer Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung. 115 mm im Durchmesser ~ 250 mm im Länge 800 Heavy Duty Für Anwendungen im Heavy-Duty- Segment mit hoher mechanischer Beanspruchung und hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit. 100 mm im Durchmesser ~ 70 mm im Länge 700 Compact Kompakt und dennoch robust für Anwendungen mit mittlerer mechanischer Beanspruchung. 100 mm im Durchmesser ~ 55 mm im Länge 600 Industrial Wellenmaße < _ 20 mm Vollwelle < _ 25,4 mm Hohlwelle < _ 25,4 mm Hohlwelle < _ 12 mm Hohlwelle < _ 11 mm Vollwelle < _ 10 mm Vollwelle Absolutwertgeber-Serie für Anwendungen mit begrenztem mechanische Beanspruchung. 58 mm im Durchmesser ~ 55 mm im Länge 500 Robust Platzsparende und vielseitige Serie für Anwendungen mit begrenzter mechanischer Beanspruchung. 58 mm im Durchmesser ~ 40 mm im Länge < _ 15 mm Hohlwelle < _ 10 mm Vollwelle Konstruktionsleitfaden Funktionalität Inkremental, absolut, dual Inkremental, ADS, Ex, Optolink, DUO Lösungen Inkremental Absolute, fieldbus Inkremental, absolute, dual 8 9

6 Wellen und Flansche mechanische Lösungen für die Montage Sackhohlwelle Bei in Radialrichtung begrenztem Platz bietet es sich an, einen Drehgeber mit Sackhohlwelle zu wählen. Dann kann nämlich der Elektroausgang in axialer Richtung erfolgen, sodass der Radius nicht erhöht wird. Um ein Mitdrehen des Drehgebers mit der Welle zu verhindern, wird dieser mit einer flexiblen Statorkupplung befestigt, der den Radius nur minimal erhöht. Wichtigste Eigenschaft: Minimaler radialer Platzbedarf Befestigung: Klemmring Option der 600- und 500-Serie Flansch und Vollwelle Drehgeber mit Vollwelle werden mit Hilfe eines Flansches am Motor festgeschraubt. Die Verbindung ist sehr stabil und verhindert ein Verschieben des Drehgebers. Die Rotation der Welle wird mittels einer flexiblen Wellenkupplung übertragen, die Axial- und Radialbewegungen an der Motorwelle ausgleicht. Hierdurch wird die Abnutzung der Drehgeberlager reduziert, was zu einer Maximierung der Lebensdauer führt. Leine & Linde bietet eine Großauswahl an Flanschen an, beispielsweise Industriestandard-Modelle wie Klemm-, Synchro- und Euroflansche, aber auch eine Reihe kundenspezifischer Varianten. Hohlwelle mit axialer Befestigungsschraube Ein gängige Befestigungsmethode ist das Festschrauben der Drehgeber-Hohlwelle an der Motorwelle mit einer Axialschraube. Mit einer vorbereiteten Gegenwelle erfolgt die Montage schnell und einfach, sowohl bei der Produktion als auch bei der Wartung des Motors. Diese Lösung erleichtert außerdem die Zentrierung des Drehgebers auf der Welle. Wichtigste Eigenschaft: Leicht zugängliche Montage Befestigung: Axialschraube Option der 800- und 500-Serie Wichtigste Eigenschaft: Stabile Montage Befestigung: Wellenkupplung Option der 1000-, 800-, 600- und 500-Serie Durchgehende Hohlwelle Flexible Befestigung Diese Montagevariante spart in Axialrichtung am meisten Platz. Die Hohlwelle des Drehgebers wird direkt auf die Motorwelle gesetzt, sodass keine Wellenteile hervorstehen und keine Zwischenkupplung nötig ist. Die Befestigung an der Motorwelle erfolgt mithilfe eines Klemmrings. Leine & Lindes 700-Serie hat trotz ihrer robusten Konstruktion eine minimierte Baulänge, sehr zum Vorteil für Anwendungen auf kleinstem Raum. Wichtigste Eigenschaft: Kurze Baulänge Befestigung: Klemmring Option der 800-, 700-, 600- und 500-Serie Ein Hohlwellen-Drehgeber muss an einem Punkt befestigt sein, damit er sich nicht mit der Welle mitdreht. Es ist wichtig, dass diese Befestigung flexibel ist, sodass der Drehgeber bei einer Radial- bzw. Axialbewegung der Motorwelle noch einen gewissen Bewegungsspielraum hat. Bei einer festen Montage besteht die Gefahr, dass eine bewegliche Motorwelle die Drehgeberlager zu stark belastet. Leine & Linde hat eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungen zur optimalen Installation zu bieten. Drehmomentstützen in verschiedenen Längen, isoliert Drehmomentstützen-Befestigung verschiedene Typen Konstruktionsleitfaden Statorkupplungen verschiedene Typen 10 11

7 Erweiterte Lösungen für spezielle Anforderungen Konische Hohlwelle mit axialer Befestigungsschraube Leine & Lindes 800-Serie umfasst auch eine Option mit konischer Hohlwelle. Wird die Befestigungsschraube durch die Drehgeber-Hohlwelle mit der Motorwelle verschraubt, dann wird der Konus hierdurch gegen die gesamte Motorwelle gedrückt. Hierdurch wird eine maximaler Formschluß zwischen den Wellen bei gleichzeitiger Zentrierung des Drehgebers gewährleistet. Auflösung an den Motor angepasste Funktion Wichtigste Eigenschaft: Maximale Reibung und Zentrierung Befestigung: Axialschraube Option der 800-Serie Passfeder und Nut Sicherheitskritische Anwendungen erfordern bisweilen ein Verbinden der aufeinander treffenden Wellen mithilfe von Passfedernuten, sodass ein Verschieben garantiert verhindert wird. Leine & Lindes Wellendrehgeber sind daher mit Passfeder und die Hohlwellen-Drehgeber mit Passfedernut erhältlich. Wichtigste Eigenschaft: Verhindert ein Durchdrehen der Welle Befestigung: Wellenkupplung bzw. Axialschraube Option der und 800-Serie Asynchronmotoren Bei Asynchronmotoren kommen oft Inkrementaldrehgeber zum Einsatz, um eine direkte Geschwindigkeitsrückmeldung und die erforderlichen Modifizierungen der Drehzahl zu ermöglichen. Leine & Linde bietet eine Vielzahl an Impulszahlen im Bereich Impulse pro Umdrehung. Die Impulszahl ist einerseits nach der gewünschten Motordrehzahl und andererseits nach der möglichen Frequenz der Empfängerelektronik zu wählen. Als Richtwert lässt sich folgende Formel anwenden: pulszahl [ppr] < Frequenz max [Hz] 60 Drehzahl max [rpm] Synchronmotoren Bei Synchronmotoren ist oftmals eine absolute Rückmeldung der Wellenposition erforderlich. Bei einem Absolutpositionsgeber steht jede Markierung auf der Code-Scheibe für einen einmalig vergebenen Code, wodurch es möglich ist, die exakte Position der Welle direkt beim Motorstart abzulesen. Die Auflösung beträgt normalerweise 25 bit. Dies entspricht 8192 Positionen bei jeder einzelnen Umdrehung, multipliziert mit 4096 erkennbaren Umdrehungen. Andere Auflösungen sind auf Anfrage erhältlich. Isolierte Wellen Ein von einem Frequenzumrichter angetriebener Motor ist elektrischen Spannungen an der Motorwelle ausgesetzt. Diese können dazu führen, dass sich Ströme ihren Weg durch die Lager von Motor oder Drehgeber suchen, was deren Lebensdauer drastisch verkürzt. Als Lösung für dieses Problem bietet Leine & Linde mehrere Arten der Wellenisolierung an. Peek-Einsatz isoliert die Hohlwelle des Drehgebers von der Motorwelle. Option der 800-, 700- und 500- Serie. Hybridlager isolieren die Hohlwelle des Drehgebers von der Motorwelle. Option der 800-Serie. Isolierte Wellenkupplung Lösung für Drehgeber mit Vollwelle. Option der 1000-, 800- und 500-Serie. Ist der Motor für einen Betrieb mit niedrigen Drehzahlen ausgelegt, wird oft eine hohe Impulszahl gewählt um eine genaue Messung sicherzustellen. Ist der Motor dagegen für einen Betrieb mit hohen Drehzahlen konzipiert, ist stattdessen eine niedrige Impulszahl zu wählen, damit die Frequenz nicht den Grenzwert der Empfängerelektronik übersteigt. Konstruktionsleitfaden Wellenerdungsring leitet Ströme von der Motorwelle über das Drehgebergehäuse vorbei. Option der 800- Serie

8 Elektronik für Kommunikation in vielen Sprachen Optische Übertragung Die optische Übertragung über Glasfaserkabel liefert Signale, die unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen in der Umgebung sind. Hierdurch wird eine Übertragung über Entfernungen von mehreren Kilometern ermöglicht. Gleichzeitig bietet diese Lösung ein geringeres Gewicht als mit normalen Kabeln. Optolink wird in der 800-Serie als integrierte Option und für die übrigen Serien als Variante mit Zubehör-Gateway angeboten. Option der 800-Serie Absolutpositionsgeber Rechtecksignale Rechtecksignale sind die gängigste Signalart bei Inkrementaldrehgebern. Leine & Linde Produkte werden standardmäßig mit 6 Kanälen ausgeliefert. Dem Signal S00 folgt das Signal S90, das elektrisch um 90 Grad verschoben ist. Die beiden invertierten Signale S00\ und S90\ ermöglichen eine differentielle Übertragung, die die Empfindlichkeit der Signale gegenüber elektrischen Störungen reduziert. Zum Überprüfen der Wellenposition wird pro Umdrehung ein Referenzimpuls, Sref, mit dem invertierten Impuls Sref\ ausgesendet. Absolutpositionsgeber werden mit seriellen Schnittstellen wie SSI und EnDat sowie mit integrierter Feldbuskommunikation verschiedenster Art zur Installation in vorhandene Feldbussysteme angeboten. Option der 1000-, 600- und 500-Serie Es gibt verschiedene Varianten von Schnittstellen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen und Signalniveaus. Bei der Wahl der richtigen Schnittstelle sind mehrere Faktoren aus der Betriebsumgebung des Motors zu beachten. Die genauen Eigenschaften der Schnittstelle werden vor allem von der Frequenz, Kabellänge und Temperatur bestimmt. Schnittstelle TTL RS-422 HTL HC-HTL Erweiterte Funktion und Sicherheit Versorgung 5 Vdc 9-30 Vdc 9-30 Vdc 9-30 Vdc Signal 5 Vdc 5 Vdc 9-30 Vdc 9-30 Vdc Geeignet für Niedrige Frequenzen und kurze Kabel Hohe Frequenzen und lange Kabel Hohe Frequenzen und mittellange Kabel Höchstfrequenz 200 khz 200 khz 200 khz 200 khz Mittelhohe Frequenzen und lange Kabel Max. Kabellänge 50 m bei 50 khz 1000 m bei 200 khz 100 m bei 100 khz 350 m bei 100 khz Temperatur C C C C Option der Serie 1000, 800, 700, , 800, 700, , 800, 700, , 800, 700, 500 Sinus/Cosinus-Signale Eine weitere Option für Ausgangssignale sind Sinus/Cosinus-Signale. Diese Analogsignale liefern bei jeder Position der Welle eine unverwechselbare Amplitude, wodurch eine Interpolation und sehr hohe Auflösungen ermöglicht werden. Die Schnittstelle 1 Vpp wird oftmals für sicherheitskritische Anwendungen verwendet, bei denen man mit extrem kleinen Bewegungen einen Ausschlag erzielen möchte. Duo-Lösungen Es lassen sich zwei separate Drehgeber in ein Gehäuse integrieren. Diese Lösung bietet Sicherheit in Form einer wirklichen Redundanz. Diese ist oftmals bei sicherheitsrelevanten Anwendungen erforderlich, bei denen auf keinen Fall Komponentenfehler riskiert werden dürfen. Die beiden Ausgänge lassen sich auch an zwei Systeme mit unterschiedlicher Funktion anschließen. Mithilfe dieser Lösung können ein Inkremental- und ein Absolutausgang an ein und demselben Produkt miteinander kombiniert werden. Option der 1000-, 800- und 500-Serie ADS Online ADS Online ist ein modernes Diagnostiksystem, das fortlaufend die Funktion des Drehgebers überwacht. Bei auftretenden Verschleißerscheinungen am Drehgeber wird eine Warnmeldung ausgesendet, sodass rechtzeitig vor dem Eintreten von Störungen Maßnahmen ergriffen werden können. Das Diagnostiksystem ist in den Drehgeber integriert und kommt bei Anwendungen mit hohen Ansprüchen an die Zuverlässigkeit zum Einsatz, z. B. bei Motoren zum Dauerbetrieb in Papierwerken. Konstruktionsleitfaden Option der 800- und 700-Serie Option der 800-Serie 14 15

9 Anschluss schnell und reibungslos Kabel mit Stecker zur Panelmontage Kabel mit befestigtem Stecker erleichtern die Installation beim Montieren von Motoren. Die Kabellänge kann je nach Bedarf bestellt werden, zum Anschluss an ein Panel oder eine Anschlussbox. Hier wird der Stecker festgeschraubt und schließt dicht an der Oberfläche an, um ein Eindringen von Staub oder Feuchtigkeit zu verhindern. Option der 1000-, 800-, 700-, 600- und 500-Serie Kabel Der Drehgeber ist mit vormontiertem Kabel erhältlich. Die Kabellänge ist zur Anpassung an die jeweilige Installation frei wählbar. Option der 1000-, 800-, 700-, 600- und 500-Serie Axial- oder Radialausgang Der Anschlussausgang des Drehgebers lässt sich in der Richtung wählen, die für die jeweilige Installation am günstigsten ist. Mit einem Ausgang in Radialrichtung ist der Drehgeber kürzer, wohingegen ein Ausgang in Axialrichtung besser für Anwendungen mit geringem Radius geeignet ist. Schraubanschluss Sind für eine Installation lange Kabel erforderlich, bietet es sich an, einen Drehgeber mit Anschlussleisten zu wählen, an die der Anwender eigene Kabel anschließen kann. Hierdurch wird es einfach, separate Kabel herauszuziehen und die Länge vor Ort anzupassen. Gegenstecker Die entsprechenden Gegenstecker sind als Zubehör erhältlich, mit oder ohne vormontiertem Kabel. Option der 1000-, 600- und 600-Serie Stecker Zum Verbinden steht eine Großauswahl an Steckervarianten zur Verfügung, z. B. vom Typ M23 oder M12. Mit Steckern lassen sich Anschlüsse bereits werksseitig vorbereiten, um die Montage vor Ort zu erleichtern und ein falsches Anschließen zu verhindern. Des Weiteren erleichtert der Stecker das Austauschen von Drehgebern. Option der 800-, 700-, 600- und 500-Serie Konstruktionsleitfaden 16 17

10 Kontaktieren Sie uns Durch die lokale Präsenz unterstützen SCHWEDEN / HAUPTSITZ Adresse wir unsere Kunden, wo immer sie sind, mit Engagement und bestem Service. Telefonisch unter +49-(0) Leine & Linde AB Box 8 SE Strängnäs Besucheradresse Olivehällsvägen 8 Telefon +46-(0) Fax +46-(0) info@leinelinde.com Webseite BraSILIEN T F info@leinelinde.com.br DEUTSCHLAND T +49-(0) F +49-(0) info@leinelinde.de FinNLand T +358-(0) F +358-(0) info@leinelinde.fi ITALIEN T F info@leinelinde.it CHINA T +86-(021) F +86-(021) info@leinelinde.cn DÄNEMARK T F info@leinelinde.dk INDIEN T F info@leinelinde.in SÜDkorea T +82-(0) F +82-(0) info@leinelinde.co.kr Leine & Lindes weltweite Niederlassungen. Weitere Informationen unter Regionale Büros Händler 18

11 +49-(0) Art. nr , ver. 02 Die besten Drehgeber sind diejenigen, an die Sie nicht zu denken brauchen, die einfach funktionieren. Leine & Linde entwickelt und produziert individuell zugeschnittene Drehgeberlösungen für anspruchs volle Umgebungen und moderne Messanlagen zur Rückmeldung exakter Geschwindigkeiten und Positionen.