Version 1.0 Oktober 2005 Ziehl-Abegg AG Technik der Getriebelose Aufzugsmaschine Dieter Rieger Leiter Marketing & Vertrieb Geschäftsbereich Antriebstechnik Heinz-Ziehl-Straße 74653 Künzelsau Telefon: +49 7940 16-814 Mobil: +49 160 88 10 876 dieter.rieger@ziehl-abegg.de http://www.ziehl-abegg.de
Ziehl-Abegg Firmengeschichte 1910 Gründung der Ziehl-Abegg Elektrizitätsgesellschaft in Berlin durch Emil Ziehl 1949 1960 1997 2001 2003 2005 Wiederaufbau des Unternehmens Ziehl-Abegg in Künzelsau Entwicklung des Außenläufermotors als Ventilatorantrieb (siehe 1955) oder Durchbruch mit der Entwicklung des Außenläufermotors als Ventilatorantrieb Erste getriebelose Aufzugmaschine in PMS-Technologie (Permanent Magnet Synchron). Start der ZETASYN-Baureihe Start der ZETATOP-Baureihe (getriebeloser Innenläufer für günstiges Aufzugskonzept) Erste Aufzugsmaschine für D/d < 8 Erste Aufzugsmaschine mit Treibscheibe < 320 mm für 6 mm Seile 2 Schwelmer Aufzugtage 2006
Geschäftsbereiche Antriebstechnik Lufttechnik mit zugehöriger Regeltechnik 3 Schwelmer Aufzugtage 2006
Produktlinie Lufttechnik Axialventilatoren Radialventilatoren Diagonalventilatoren Querstromgebläse Außenläufermotoren Regelsysteme 4 Schwelmer Aufzugtage 2006
Produktlinie Antriebstechnik Getriebelose Aufzugsantriebe Aufzugsantriebe mit Getriebe langsam laufende Synchronmotoren für industrielle Anwendungen Unterölmotoren für Offshore-Anwendungen mit Hochspannung Regelsysteme 5 Schwelmer Aufzugtage 2006
Die Lorentzkraft - Das Grundprinzip des Elektromotors Batterie F I B Kraft Strom Magnetfeld 6 Schwelmer Aufzugtage 2006
Der Gleichstrommotor Pole mit Gleichstromwicklung im Stator Gleichstromwicklung mit Kommutator im Rotor Feldaufbau durch Permanentmagnete oder Gleichstrompole im Stator 7 Schwelmer Aufzugtage 2006
Der Asynchronmotor Drehstromwicklung im Stator Kurzschlusswicklung im Rotor Feldaufbau durch Magnetisierungsstrom im Stator 8 Schwelmer Aufzugtage 2006
Der Synchronmotor Drehstromwicklung im Stator Magnetpole im Rotor Feldaufbau durch Permanentmagnete oder Gleichstrompole 9 Schwelmer Aufzugtage 2006
Der Synchronmotor - FEM-Feldbild Feldbild der 30-poligen magneterregten Synchronmaschine Über die Struktur wird ein Netz aus kleinen Elementen gelegt. Der Computer berechnet die Grundgleichungen der elektrischen Felder für jedes Element. Daraus lassen sich alle Eigenschaften der Maschine ermitteln. 10 Schwelmer Aufzugtage 2006
Technische Eigenschaften des magneterregten Synchronmotors Konstantes Verhältnis Drehzahl zu Frequenz (kein Schlupf) Konstantes Verhältnis Drehmoment zu Strom (Drehmomentkonstante) Kein Magnetisierungsstrom, die magnetische Energie ist im Material gespeichert. hohe Regelgüte durch einfaches Motormodell Kompakte Maschine durch Entfall der Magnetisierung Da kein mechanischer Kommutator nötig ist, ist die Maschine wartungsfrei wie der Standard-Asynchronmotor 11 Schwelmer Aufzugtage 2006
Elektrische Bremswirkung durch Kurzschluss Schließt man die Wicklungsenden des magneterregten Synchronmotors kurz, erhält man eine elektrische Bremswirkung, die drehzahlabhängig ist. 1000 Bremsmoment bei Kurzschluß Die Bremswirkung ist ähnlich wie die Selbsthemmung bei Schneckengetrieben. Diese Eigenschaft ist wichtig für die sichere Evakuierung durch Öffnen der Bremsen. Bremsmoment M [Nm] 500 0 0 20 40 60 80 100 Drehzahl n [1/min] 12 Schwelmer Aufzugtage 2006
Der Aufbau des ZETASYN (Außenläufer) Bremsen Statorgehäuse Statorwicklung Rotor mit Magneten Treibscheibe Statorblechpaket Geber 13 Schwelmer Aufzugtage 2006
Der Aufbau des ZETATOP (Innenläufer) Rotor mit Magneten Geber Lagerschild A-Seite Welle Lager Stator mit Wicklung Lager Motorgehäuse Bremse Treibscheibe mit Abdeckung 14 Schwelmer Aufzugtage 2006
Typischer Einsatz Außenläufer Maschine in der Schachtgrube Ohne Maschinenraum Aufhängung 2:1 15 Schwelmer Aufzugtage 2006
Typischer Einsatz Innenläufer Maschine im Schachtkopf Ohne Maschinenraum Aufhängung 1:1 oder 2:1 16 Schwelmer Aufzugtage 2006
Antriebssystem (Maschine und Regler) Für den Betrieb einer getriebelosen Aufzugsmaschine ist immer ein hochwertiger Frequenzumrichter mit passender Geberschnittstelle notwendig. 17 Schwelmer Aufzugtage 2006
Vorteile der Getriebelosen Antriebe wartungsfrei (kein Ölwechsel) sehr gute Laufruhe und niedriger Geräuschpegel hohe Fahrgeschwindigkeiten kompakte Bauform Baumuster geprüfte Bremse für Fang nach oben serienmäßig durch kompakte kleine Bauform ideal für den Einsatz in Aufzügen ohne Maschinenraum In der Modernisierung kann der Maschinenraum verkleinert werden 18 Schwelmer Aufzugtage 2006
Nachteile der Getriebelosen Antriebe teurer als Antriebe mit Getriebe schwer nur relativ kleine Treibscheiben möglich Aufhängung 1:1 kann in der Modernisierung nur aufwändig umgesetzt werden 19 Schwelmer Aufzugtage 2006
Vergleich der Wirkungsgrade Wirkungsgradvergleich 100% 90% 80% 70% Wirkungsgrad [%] 60% 50% 40% 30% Planetengetriebe Schneckengetriebe ZETATOP SM225.40-20 ZETASYN SM700.12-30 20% 10% 0% 25% 50% 75% 100% Nennlast [%] 20 Schwelmer Aufzugtage 2006
Vergleich der Eingangsleistungen Eingangsleistung (elektrisch) abhängig von Anlagenleistung (mechanisch) 12 Eingangsleistung (elektrisch) [kw] 10 8 6 4 2 Planetengetriebe Schneckengetriebe ZETATOP SM225.40-20 ZETASYN SM700.12-30 0 1 2 3 4 5 6 7 Anlagenleistung (mechanisch) [kw] 21 Schwelmer Aufzugtage 2006
Berechnung der Hubleistung Beispiel für einen getriebelosen Antrieb: Nutzlast: Q = 1000 kg Gewichtsausgleich: 50 % Geschwindigkeit: v = 1 m/s Förderhöhe: 30 m Hubgewicht = Q / 2 = 500 kg Ohne Reibverluste ergibt sich: Pmechanisch = Hubgewicht x g x Geschwindigkeit = 500 kg x 9,81 m/s 2 x 1 m/s = 4,9 kw 22 Schwelmer Aufzugtage 2006
Hubleistung mit Schachtwirkungsgrad Der Schachtwirkungsgrad wird in diesem Fall mit 81% angenommen. Damit erhöht sich die Leistung wie folgt: Pmechanisch = Hubgewicht x g x v / etaschacht = 500 kg x 9,81 m/s 2 x 1 m/s / 0,81 = 6,05 kw Dieses entspricht der mittleren Motor-Leistung bei leerer bzw. voll beladener Kabine. 23 Schwelmer Aufzugtage 2006
Berechnung der Leistungsaufnahme Die Leistungsaufnahme (elektrische Leistung) ist vom Wirkungsgrad des Motors abhängig. Angenommener Wirkungsgrad des Motors: 80 % Mittlere Leistungsaufnahme des Motors: Pel(mittel) = Pmechanisch / etamotor = 6,05 kw / 0,8 = 7,56 kw 24 Schwelmer Aufzugtage 2006
Berechnung der Leistungsaufnahme Die Netzleistung ergibt sich aus der Leistungsaufnahme des Motors und den Verlusten den Frequenzumrichters. Bei Nennstrom ca. 5% Spannungsabfall an Netzdrossel & Netzfilter. Mittlere Leistungsaufnahme: Pnetz = Pel(mittel) / etafrequenzumrichter = 7,56 kw / 0,95 = 7,96 kw 25 Schwelmer Aufzugtage 2006
Berechnung der Leistungsaufnahme Die Leistungsaufnahme (elektrische Leistung) und damit die Anschlussleistung ist abhängig von: Anlagendaten (Hubgewicht, Geschwindigkeit) Schachtwirkungsgrad Motorwirkungsgrad Frequenzumrichterwirkungsgrad und nicht von der Leistung des Motors! 26 Schwelmer Aufzugtage 2006
Kostenvergleich der Antriebssysteme Ein Großteil der Betriebskosten sind Energiekosten Beispiel: Aufzug 1000 kg; 1 m/s Annahme für die Belastungsverteilung: Anzahl Personen Häufigkeit Belastung für Antrieb 0 (leer, ab) 25% 100% 1-5 50% ca. 50% 6-7 10% 25% 8-12 10% ca. 50% 13 (voll, auf) 5% 100% 27 Schwelmer Aufzugtage 2006
Leistungsaufnahme der Antriebssysteme Schnecke Planeten Getriebelos Getriebewirkungsgrad bei Vollast 80 % 93 % 100 % Motorwirkungsgrad bei Vollast 85 % 85 % 75 % Antriebswirkungsgrad bei Vollast 68 % 79,1 % 75 % Leistungsaufnahme Vollast 10,3 kw 8,86 kw 9,33 kw Getriebewirkungsgrad bei 50% Last 65 % 85 % 100 % Motorwirkungsgrad bei 50 % Last 85 % 85 % 85 % Antriebswirkungsgrad bei 50 % Last 55 % 72 % 85 % Leistungsaufnahme bei 50 % Last 6,33 kw 4,84 kw 4,12 kw Getriebewirkungsgrad bei 25 % Last 50 % 75 % 100 % Motorwirkungsgrad bei 25 % Last 75 % 75 % 90 % Antriebswirkungsgrad bei 25 % Last 37,5 % 56,3 % 90 % Leistungsaufnahme bei 25 % Last 4,67 kw 3,11 kw 1,94 kw 28 Schwelmer Aufzugtage 2006
Energiekosten pro Jahr Betrieb 4 Stunden täglich, 5 Tage je Woche = 1000 Betriebsstunden Strompreis 20 ct je Kilowattstunde Schnecke Planeten Getriebelos Leistungsaufnahme 100% Last 10,3 kw 8,86 kw 9,33 kw 300 h x 20 Cent / kwh 618 532 560 Leistungsaufnahme 50% Last 6,33 kw 4,84 kw 4,12 kw 600 h x 20 Cent / kwh 720 580 494 Leistungsaufnahme 25 % Last 4,67 kw 3,11 kw 1,94 kw 100 h x 20 Cent / kwh 94 62 38 Gesamtenergiekosten 1.472 1.184 1.092 29 Schwelmer Aufzugtage 2006
Kosten über 15 Jahre 25000 20000 Betriebskosten ( ) 15000 10000 Schnecke Planeten Getriebelos 5000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Betriebszeit (Jahre) 30 Schwelmer Aufzugtage 2006
Fazit Permanentmagnet erregte Synchronmotoren sind ideal für einen kompakten Aufzugs- Direktantrieb mit hohem Fahrkomfort! 31 Schwelmer Aufzugtage 2006
Version 1.0 Oktober 2005 Danke!