Direktantriebsmotoren: Zuverlässigkeit, Präzision und Leistung

Direktantriebsmotoren haben eine lange Geschichte als Technologie, die sich über mehrere Jahrzehnte kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert hat. Trotz des Eindrucks, dass es an seine Grenzen stößt, entwickeln Innovatoren wie ETEL die Leistung und Effizienz ihrer Direktantriebsprodukte kontinuierlich weiter und verbessern sie.

In diesem Artikel stellen wir die Technologie hinter Direktantriebsmotoren vor, untersuchen ihre Vorteile und diskutieren Beispielanwendungen.

Direktantriebsmotoren, ob lineare oder rotierende Torquemotoren, koppeln die Nutzlast direkt an die Bewegungsquelle. Dadurch entfallen mechanische Übertragungselemente wie Getriebe, Zahnriemen, Untersetzungsgetriebe und Schneckengetriebe. Dadurch können Maschinenkonstruktionen vereinfacht und kompaktere Lösungen realisiert werden.

Torquemotoren und Linearmotoren gehören zu einer besonderen Kategorie der bürstenlosen Permanentmagnet-Synchronmotoren. Linearmotoren sind eine Spulenbaugruppe, die sich entlang einer geraden Bahn aus Permanentmagneten bewegt. Durch die Nutzung der elektromagnetischen Induktion zwischen einer Spulenbaugruppe (Primärteil) und einer Permanentmagnetbaugruppe (Sekundärteil) wandeln Linearmotoren elektrische Energie effizient in lineare mechanische Energie um. Diese Motoren sind so konstruiert, dass sie bei niedrigen Geschwindigkeiten oder sogar im Stillstand eine erhebliche Kraft erzeugen.

Ein Torquemotor kann als herkömmlicher Servoantrieb mit zahlreichen Polen betrachtet werden, der einem Linearmotor in rotierender Konfiguration ähnelt. Die hohe Polzahl herkömmlicher Torquemotoren ermöglicht es ihnen, auch ohne Bewegung hohe Drehmomente bei moderaten Drehzahlen zu erreichen. Darüber hinaus ist ihr kompaktes Design ein attraktives Merkmal, das einen schlanken Blechstapel und eine große Hohlwelle oder Bohrung umfasst.

Sowohl Linearmotoren als auch Torquemotoren fallen in die Kategorie der „rahmenlosen“ Motoren. Dies bedeutet, dass diese Motoren kein Gehäuse, keine Lager und kein Rückkopplungsgerät enthalten. Maschinenbauer haben die Flexibilität, diese Komponenten entsprechend der erforderlichen Leistung auszuwählen und zu optimieren oder sie als Teil einer vormontierten Einheit zu beziehen.

Im Gegensatz zu bürstenbehafteten Rotationsmotoren haben Direktantriebsmotoren keinen Kontakt zwischen Rotor und Stator. Durch das Fehlen von mechanischem Verschleiß wird die Zuverlässigkeit deutlich verbessert. Die reduzierte Anzahl mechanischer Teile minimiert den Wartungsaufwand und senkt die Gesamtsystemkosten.

Direktantriebsmotoren bieten gegenüber Konkurrenzlösungen mehrere wichtige Vorteile. Erstens sind sie zuverlässiger, es treten weniger Probleme auf und es kommt zu weniger Ausfallzeiten im Vergleich zu Alternativen, die auf Getrieben oder Riemenantrieben basieren, die oft einen erheblichen Schmier- und Wartungsaufwand erfordern.

Ein weiterer Vorteil ist das Fehlen von Spiel oder Trägheitsinkongruenz. In Systemen mit mehreren Zahnrädern kommt es aufgrund der geringen Abstände zwischen den Zahnrädern häufig zu einer leichten Trennung oder Verzögerung zwischen miteinander verbundenen Teilen. Dies kann zu einem Präzisionsverlust bei der Übertragung der Bewegung von einem Ende zum anderen führen. Direktantriebsmotoren vermeiden dieses Problem und verbessern die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Motorbewegung.

Die überlegene Zuverlässigkeit, reduzierte Ausfallzeiten, vereinfachte Wartung und verbesserte Präzision machen Direktantriebsmotoren zu einer attraktiven Wahl für Ingenieure, die optimale Leistung und Effizienz bei ihren Maschinenkonstruktionen suchen.

Die Integration eines Direktantriebsmotors kann für Neulinge in der Anfangsphase mit zusätzlichem Aufwand verbunden sein, da eine präzise Positionierung des Motors und die Ausrichtung verschiedener Komponenten erforderlich sind. Darüber hinaus müssen aufgrund des Vorhandenseins starker Permanentmagnete im Motor Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.

Allerdings wird die Einrichtungs- und Integrationszeit durch die zunehmende Reproduzierbarkeit des Prozesses durch die gesammelten Erfahrungen der Mitarbeiter des Kunden kontinuierlich verkürzt. Anbieter von Direktantriebsmotoren bieten in der Regel Schulungen und ein hohes Maß an Support an, um ihre Kunden durch den Installationsprozess zu führen.

Direktantriebsmotoren sind häufig wassergekühlt, wobei Flüssigkeit über die Außenfläche fließt, um die Wärme abzuleiten. ETEL hat eine sogenannte „Close Cooling“-Hülse entwickelt, die die Installation vereinfacht, indem sie als Gehäuse für Wasser dient und vormontiert am Motor mit lediglich einem Ein- und Ausgang für den Flüssigkeitsfluss geliefert wird. Dadurch entfällt für den Kunden die Notwendigkeit, ein eigenes Kühlgehäuse zu bauen.

Wenn man diese Faktoren zusammen betrachtet, sind die Gesamtbetriebskosten (TCO) von Direktantriebsmotoren im Vergleich zu konkurrierenden Technologien niedriger. Auch wenn im Vorfeld möglicherweise einige zusätzliche Integrationsaufwände erforderlich sind, werden die finanziellen Nachteile durch die geringeren Betriebskosten, die längere Lebensdauer und den geringeren Wartungsaufwand von Direktantriebsmotoren aufgewogen.

Direktantriebsmotoren finden Anwendung in verschiedenen Industrie- und Produktionsszenarien. ETEL bedient viele Werkzeugmaschinenkunden in Branchen wie Zahnradschleifen, Fräsen und Bohren, unter anderem. In diesen Szenarien, in denen schwere Werkstücke beim Schneiden bewegt oder gedreht werden müssen, muss der Motor ein hohes Drehmoment liefern und gleichzeitig eine hervorragende Präzision gewährleisten.

Die Halbleiterfertigung ist eine weitere anspruchsvolle Anwendung, die Motoren mit hoher Präzision, der Fähigkeit zu schneller Beschleunigung und präziser, wiederholbarer Positionierung für superschnelle Bewegungen erfordert. Auch in der Halbleiterindustrie gelten strenge Qualitätsstandards, die einen konsistenten und fehlerfreien Betrieb erfordern.

Generell wurden ETEL-Linearmotoren in mehreren Branchen in einigen der ersten koordinierten Messmaschinen (CMMs) mit Direktantrieb eingesetzt. KMGs bewegen einen Messtaster auf einer XYZ-Ebene, um Messungen an einem Maschinenteil vorzunehmen. Mithilfe von Linearmotoren können sie die erforderliche Präzision im Submikrometerbereich beibehalten und gleichzeitig den Durchsatz aufgrund reduzierter Ausfallzeiten steigern. Für KMGs ist der wertvollste Aspekt direkt angetriebener Linearmotoren ihre Fähigkeit, die erforderliche Präzision ohne Verschleißkomponenten bereitzustellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Maschinen, die auf Riemen und Riemenscheiben basieren, arbeiten KMG-Maschinen über viele Jahre hinweg mit Höchstleistung.

In einem anderen Bereich bedient ETEL Tarus, einen langjährigen Kunden, der sich auf die Entwicklung von Tonfräsmaschinen für die Automobilindustrie spezialisiert hat. Mit diesen 5-Achsen-CNC-Fräsmaschinen können Designer Fahrzeugmodelle erstellen, indem sie große Tonblöcke mit außergewöhnlicher Präzision schnitzen, was durch ETEL-Direktantriebsmotoren ermöglicht wird.

GreenPowerUSA (GPUSA), ein einzigartiger Kunde, setzt ETEL-Direktantriebsmotoren bei der Entwicklung kostengünstiger, autonomer seismischer Quellen ein. Diese Quellen erzeugen niederfrequente Schwingungen, die unterirdisch übertragen werden. Mit geeigneten Empfängern zur Erkennung der Vibrationen kann die Zusammensetzung der dazwischenliegenden Gesteine ​​bestimmt werden – eine wesentliche Aufgabe bei der Überwachung von Öl- und Gaslagerstätten und bei Anwendungen zur unterirdischen CO 2 -Speicherung.

Ein außergewöhnliches Anwendungsbeispiel ist schließlich das Flugzeug Solar Impulse 2, das als erstes Flugzeug ausschließlich mit Sonnenenergie um die Welt flog. Während seiner 35.000 km langen und 500 Flugstunden langen Reise war für das Flugzeug ein optimales Leistungs-Gewichts-Verhältnis erforderlich, was leichte Komponenten erforderlich machte. ETEL brachte sein Fachwissen in der Direktantriebstechnologie ein, um einen Motor mit einem Wirkungsgrad von über 95 Prozent zu entwickeln. Obwohl für extreme Umgebungsbedingungen leicht modifiziert, basierte der Motor auf der Standard-ETEL-Technologie.

Bei der Auswahl eines Direktantriebsmotors ist zu berücksichtigen, ob sich der Anbieter auf diesen Bereich spezialisiert hat oder ihn als eines von vielen Produkten anbietet. Große Unternehmen, die Antriebe und Steuerungen verkaufen, bieten häufig auch Motoren an. Die Annahme gebündelter Motoren von solchen Unternehmen kann jedoch dazu führen, dass Kunden nicht die beste Lösung für ihre spezifischen Anwendungen erhalten.

Spezialisierte Motorenhersteller wie ETEL investieren Jahre in die Weiterentwicklung ihrer Direktantriebsmotoren. ETEL optimiert beispielsweise die Anordnung der Spulen innerhalb des Motors und erhöht die Drehmomentabgabe bei gleicher physikalischer Größe, indem die Spulen dichter gepackt werden.

Ein weiteres häufiges Problem, das viele Motoren betrifft, ist das Rasten, das bei der Drehung zu leichten Wellen statt einer gleichmäßigen Bewegung führt. Dieses Phänomen entsteht durch die natürliche magnetische Anziehung zwischen den Magneten und dem Außenrotor. Durch sorgfältiges Design des Motors und Optimierung der Kommunikation mit seiner Steuerung kann das Rasten minimiert werden.

Direktantriebsmotoren bieten zuverlässige und wartungsarme Lösungen für verschiedene Anwendungen in Werkzeugmaschinen und anderen Branchen. Sie liefern die Präzision, die in Branchen wie der Halbleiterfertigung erforderlich ist, und halten gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten niedrig.

Dieser Artikel wurde von Brian Zlororzycki, Produktspezialist für ETEL-Komponenten bei HEIDENHAIN (Schaumburg, IL) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 2023 des Motion Design Magazine.

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