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

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

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 www.baumueller.com 1

Baumüller Gruppe Hauptsitz: D-90482 Nürnberg, Ostendstraße 80-90 Standorte: Über 40 Standorte weltweit Mitarbeiter: 1700 Produktion: Nürnberg, Kitzingen, Rossau, Bad Gandersheim, Brno, Konice, Wu Jiang Systempartner für Automatisierungslösungen für den Maschinenbau www.baumueller.com 2

Automatisierungslösungen www.baumueller.com 3

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 www.baumueller.com 4

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 www.baumueller.com 5

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 www.baumueller.com 6

Vorteil - Systemwirkungsgrad Drehstrom Synchronservomotor: p = 5 [P N = 2kW; M N = 6,3Nm; n N = 3000 1/min] www.baumueller.com 7

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

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 www.baumueller.com 9

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 www.baumueller.com 10

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) www.baumueller.com 11

Aufbau eines Synchron - Torque-Motors Schema eines Torque- Motors mit Polspulen Magnetläufer Polspulen Rotor Stator mit Polspulen Magnete www.baumueller.com 12

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. 50.000Nm; Überlastfaktor ca. 1,5 bis 2 Nenndrehzahlen ca. 100 bis 1500 1/min www.baumueller.com 13

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. 6.600 /Jahr www.baumueller.com 14

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 50 40 30 20 10 0-10 -20-30 DC Geared/Belted: Drive & Motor AC Geared/Belted: Drive & Motor Baseline Direct Drive: Drive & Motor 0 20 40 60 80 100 120 140 160 DC Polypropylen DC Polyethylen-HD AC DD Polypropylen DD Polyethylen-HD Extruder speed (RPM) Quelle: Davis-Standard, Direct Drive Extruders, 2009 www.baumueller.com 15

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) 75 70 65 AC Geared/Belted: Drive & Motor DC Polyethylen-HD AC Polypropylen AC Polyethylen-HD DD Polypropylen DD Polyethylen-HD 60 Direct Drive: Drive & Motor 55 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Extruder speed (RPM) Quelle: Davis-Standard, Direct Drive Extruders, 2009 www.baumueller.com 16

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: 46.000 /a www.baumueller.com 17

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 www.baumueller.com 18

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 www.baumueller.com 19

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) www.baumueller.com 20

Applikationsbeispiel Verzahnungszentrum Motortechnik: 6 polige permanent erregte Synchronmotoren flüssigkeitsgekühlt Bausatzlösung (Rotor ist GFK bandagiert) Drehzahlen bis 14.000 1/min Vorteile gegenüber Asynchronmotoren: höhere Temperaturstabilität bessere Regelbarkeit höhere Dynamik Motive für die weitere Drehzahlerhöhung: höhere Schnittgeschwindigkeit Quelle: KAPP und NILES Einsatz kleinerer Werkzeuge www.baumueller.com 21

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 www.baumueller.com 22

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 www.baumueller.com 23

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 www.baumueller.com 24

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 www.baumueller.com 25

Vergleich Motortechnologien DC-Motor Synchronmotor (ohne SRM) Asynchronmotor elektrisch erregt permanent erregt elektrisch erregt permanent erregt Drehzahlbereich @ 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 www.baumueller.com 26

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 www.baumueller.com 27

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