Wälzlager mit Elektroantrieb Antrieb integrieren statt kombinieren

In den häufigsten Fällen werden Torquemotoren in der Anwendung mit Wälzlagern kombiniert, um ihre Funktion zu erfüllen. Eine Alternative ist hingegen die Integration des Direktantriebs in das Lager. Dieses Komplettsystem bietet einige Vorteile.

Anbieter zum Thema

Franke GmbH

Oswald Elektromotoren GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

G+K Umformtechnik GmbH

Funktionsintegration ist vor allem im Leichtbau und in der Automobilindustrie ein aktuelles Thema und auch in den nächsten Jahren wird die Forschung hierzu zahlreiche Anwendungen und Ideen präsentieren. So auch der Wälzlagerhersteller Franke aus Aalen, der seine Drahtwälzlager mit einem Direktantrieb kombiniert. Durch die Integration des Antriebsmotors direkt ins Lager ist es möglich, auf Getriebe und Antriebsritzel und somit auf komplexe Schmierkreisläufe zu verzichten. Die bewegten Massen fallen daher deutlich geringer aus – der Leistungsverlust durch Faktoren wie Reibung und Spiel wird minimiert. Diese Vorteile bieten auch die als LD-Drive erhältlichen Drehverbindungen mit Direktantrieb von Franke, die sich durch höchste Energieeffzienz auszeichnen.

Das Franke-Drahtwälzlager-Prinzip bietet die Möglichkeit, das Material für das Gehäuse frei zu wählen. Kommen Leichtbaumaterialien wie Aluminium, Kunststoff oder Karbon zum Einsatz, lassen sich deutliche Gewichtseinsparungen realisieren. Dadurch kann der Motor kleiner dimensioniert werden, was zu Energieeinsparungen von bis zu 30 % führt.

Aus der Integration der Direktantriebe in das Lager ergeben sich folgende Vorteile:

• integriertes System,

• verschleißfreier Antrieb,

• hohes Drehmoment,

• hohe Dynamik, hoher Wirkungsgrad,

• kundenspezifisches Design,

• kompakte Bauform,

• Motor, Messsystem und Regler frei wählbar,

• Wasserkühlung auf Wunsch (Verdopplung des Nennmoments).

Direktantrieb kommt der genauen Positionierung zugute

Direktangetriebene Lager eignen sich insbesondere für Anwendungsfälle, bei denen hohe Leistungsfähigkeit und geringer Platzbedarf wichtige Kriterien sind – beispielsweise in der Medizintechnik, dem Fahrzeugbau, in der Automation, bei Pick-&-Place-Anwendungen oder in der Navigation. Die Integration des kompletten Antriebs in das Lagergehäuse führt dazu, dass verschleißträchtige Baugruppen zur herkömmlichen Übertragung von Antriebsleistung wie Zahnriemen, Wellen oder Ketten entfallen können. Dies kommt außerdem einer genaueren Positionierung zugute.

Bei den Drahtwälzlagern von Franke erfolgt der Abrollvorgang nicht unmittelbar zwischen Wälzkörper und umschließender Konstruktion, sondern reibungsarm auf den integrierten Laufringen. Durch ihre kompakte und hoch belastbare Vierpunktgeometrie ist eine maximale Konstruktionsfreiheit gegeben. So erhält der Kunde für seine Anwendung die Komponente in den individuellen Abmessungen und den geforderten Werkstoffen.

Ruhendes Lagerteil ist Stator, das bewegte fungiert als Rotor

Der Antrieb selbst wird direkt in das Lagergehäuse integriert. Das ruhende Lagerteil bildet den Stator, das bewegte fungiert als Rotor des Torquemotors. Der Abstand zwischen Stator und Rotor (Luftspalt) ist ausschlaggebend für die Größe des Drehmoments. Die vorgespannte Franke-Drehverbindung garantiert einen gleichbleibenden Luftspalt. Zur Bestimmung der Motorposition kann ein Messsystem verwendet werden; Schnittstellen sind für inkrementelle (TTL, 1Vss) und absolute Systeme (En Dat 22; Fanuc, BiSS, SSI – 1Vpp) verfügbar.

Um die Drehbewegung in Gang zu setzen, sind keine weiteren oder verschleißträchtigen Bauteile notwendig, was den Wirkungsgrad des Systems und die Lebensdauer erhöht.

Hochleistungslager im Herzen von Computertomographen

Schon heute sind die Drahtwälzlager bei renommierten Herstellern von Computertomografen weltweit erste Wahl, weil sie alle Anforderungen an moderne Komponenten für die Hochleistungsmedizin erfüllen: leise, leicht und hochdynamisch. Mit dem LD-Drive erhalten die Kunden die komplette Baugruppe aus Leichtbaulager, Motor und Steuerung aufeinander abgestimmt aus einer Hand.

Das Hauptlager des Computertomografen (CT) ist mit dafür verantwortlich, dass exakte Aufnahmen geliefert werden können. Selbst bei hohen Drehzahlen muss dieses Lager leise und vibrationsarm laufen. Ein exakter Rund- und Planlauf muss gewährleistet sein. Die Speziallager von Franke für Computertomografen erreichen Drehzahlen von bis zu 300 min^-1 bei einer Geräuschentwicklung von unter 60 dB(A). Aufgrund ihrer hohen Präzision und Laufruhe sorgen sie dafür, dass die Röntgeneinheit hervorragendes Bildmaterial produzieren kann.

In den Testständen von Franke laufen bereits CT-Lager der nächsten Generation. Diese Lager sind dann mit segmentierten Antrieben versehen und erreichen bereits heute Drehzahlen von 400 min^-1 bei 70 dB(A) unter Volllast. Durch die Technik der Entlastung des Lagers aufgrund der Magnetkraft kann eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer erreicht werden.

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Info

Konstruktionsbeispiel

• Außendurchmesser: 280 mm

• Kugelkranzdurchmesser: 180 mm

• Innendurchmesser: 160 mm

• Bauhöhe: 73,5 mm

• Gesamtgewicht 5,5 kg (Gewicht Motor 3,3 kg)

• Lagerart: Vierpunktlager

• Abstimmung: Massivabstimmung

• Werkstoff: Aluminium eloxiert

• Werkstoff Magnetring: C45

Direktantrieb:

• Nenndrehmoment: 13 Nm

• Spitzendrehmoment: 60 Nm

• Nennstrom: 6 A

• Spitzenstrom: 32 A

• max. Drehzahl: 200 min^-1; Drehzahl von 0 bis 200 min^-1 einstellbar

• Versorgungsspannung: 230 V

• Optional: Messsystem

Großes Potenzial für Anwendungen im Maschinenbau

Doch neben der Medizintechnik hat der Maschinenbau ein großes Potenzial für Anwendungen mit den direkt angetriebenen Leichtbaulagern – beispielsweise bei Rundtakttischen oder Werkzeugwechslern. Die geringen zu bewegenden Massen sorgen auch dort dafür, dass der Motor kleiner ausgelegt werden kann und mit höherer Dynamik und Geschwindigkeit arbeitet. In Rundtakttischen werden auf diese Weise hohe Taktraten realisiert.

Die Wälzlager mit integriertem Direktantrieb sind mit Durchmessern von 100 bis 1800 mm erhältlich und arbeiten standardmäßig bei Temperaturen bis zu 80 °C. Für höhere Temperaturen müssen die Drehverbindungen entsprechend neu ausgelegt werden. Das leisten die Entwickler und Konstrukteure bei Franke.

Projekte werden entweder gemeinsam mit dem Kunden zur Erfüllung spezifischer Anforderungen oder aus eigenem Antrieb zur Optimierung des eigenen Produktprogramms gestartet. Am Produktionsstandort in Aalen verfügt man in den Labors über ein umfangreiches Equipment, um jede Art von Tests und Analysen durchzuführen.

Franke auf der Automatica 2018: Halle B6, Stand 415

* Jörg Egelhaaf ist Technischer Leiter bei der Franke GmbH in 73431 Aalen

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