Elektroantrieb Passgenaue mechatronische Antriebe

Autor / Redakteur: Christoph Weis und Kay-Horst Dempewolf / Stefanie Michel

Will man keine Kompromisse eingehen, lassen sich individuelle Anforderungen in einer Maschine oft erst durch passgenaue mechatronische Antriebe umsetzen. Für deren Konzeption sind Performance, Bauraum und Umgebungsbedingungen ebenso relevant wie die Integration in die Maschine selbst.

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Wittenstein Cyber Motor entwickelt Antriebe, die komplett auf die logistischen, technischen und kommerziellen Anforderungen des Kunden zugeschnitten sind.
Wittenstein Cyber Motor entwickelt Antriebe, die komplett auf die logistischen, technischen und kommerziellen Anforderungen des Kunden zugeschnitten sind.
(Bild: Wittenstein)

Wenn beispielsweise in bestehenden Maschinen Pneumatikzylinder in Transfereinheiten bei der Glasherstellung durch Linearaktuatoren ersetzt werden sollen oder hohe Leistungen und Bearbeitungsgeschwindigkeiten in Maschinen gefordert sind, dann ist ein Antrieb aus dem Katalog oft keine Lösung. Um das Optimale aus der Maschine herauszuholen, bieten sich kundenspezifische Antriebe an. Während ein Anpassen von Antrieben an eine Applikation fast immer mit Kompromissen verbunden ist, ermöglicht erst die passgenaue Entwicklung mechatronischer Antriebslösungen, wie sie die Wittenstein Cyber Motor GmbH anbietet, die optimale Umsetzung individueller Leistungsanforderungen.

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Das bestätigen auch Kunden wie Klaus Lesche, Leiter technischer Vertrieb Glasmaschinen bei der Iprotec GmbH: „Linearaktuatorik statt Pneumatik – gemeinsam mit Wittenstein haben wir den Technologiewechsel erfolgreich vollzogen.“ Auch für die Schmale Maschinenbau GmbH hat sich die Entwicklung solcher individuellen Antriebslösungen für deren Biegemaschine Speedmax gelohnt, wie Vertriebsleiter Andreas berichtet: „Ohne die Motoren von Wittenstein wäre der Speedmax mit diesen Leistungsdaten nicht realisierbar gewesen.“

Die Beurteilungen der Anwender machen zugleich deutlich, wie unterschiedlich die Zielsetzungen der verschiedenen Unternehmen waren – und welche Mehrwerte mit den individuellen und passgenauen Antriebskonzeptionen erreicht wurden.

Erwartungen an mechatronische Antriebe

Was treibt einen Maschinenbauer um, welche Mehrwerte erwartet er, wenn er sich mit der Auswahl mechatronischer Antriebslösungen beschäftigt? Von ganz wesentlichem Interesse sind verbesserte Leistungsdaten für seine Maschinen – seien es kürzere Zykluszeiten durch mehr Geschwindigkeit oder mehr Qualität und ressourcenschonender Materialeinsatz durch eine verbesserte Präzision. Auch eine höhere Prozesseffizienz beispielsweise durch sowohl weg- als auch kraftgesteuertes Motion Control oder eine verlängerte Lebensdauer der Maschine durch spiel- und verschleißminimierte Antriebe können wichtige Zielsetzungen sein. Ein anderer Aspekt ist die Differenzierung von Marktbegleitern beispielsweise als Technologieführer oder Early Adopter – aktuell unter anderem beim Ersetzen von pneumatischer durch mechatronische Antriebstechnik oder auch beim Thema Einkabeltechnik zu beobachten. Oftmals ist der Grund der Suche auch ganz trivial: Die Portfolios der Anbieter auf dem Markt haben zwar – mit Kompromissen – anpassbare Produkte, aber eben keine passgenauen Antriebslösungen für die gegebenen speziellen Anforderungen der Applikation.

Die (an)treibenden Kräfte bei der Antriebsauslegung

Anforderungen definieren, Machbarkeit prüfen, Konzept ausarbeiten, Prototypen aufbauen, Performance verifizieren und reif für die Serienfertigung machen: In diesen Schritten erfolgt gemeinsam mit dem Anwender die passgenaue Auslegung der kundenspezifischen Antriebe. Dabei werden grundlegend drei Anforderungsfelder angesprochen – Performance, Bauraum und Umgebungsbedingungen –, die alle relevant sind, von denen in der Regel aber ein Bereich die Konzeption dominiert:.

Die wesentlichen Einflussfaktoren für eine verbesserte Performance sind kürzere Taktzeiten, effizient optimierte Bewegungs- und Lastprofile sowie die sichere Vorausberechnung von Leistungsdaten mit Softwaretools unter Nutzung erweiterter Auslegungsspielräume. Soll eine Maschine optimal integriert werden, geschieht das durch die konsequente Anpassung der Antriebslösung an den vorhandenen oder konstruktiv vorgesehenen Bauraum. Hinzu kommt die Definition der optimalen an- und abtriebsseitigen Schnittstellen sowie die Minimierung technischer Risiken beispielsweise durch gemeinsam mit dem Kunden definierte Endprüfprozeduren.

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Passgenau erfolgt auch die Auslegung entsprechend den spezifischen Umgebungsbedingungen. So lassen sich beispielsweise gesetzliche Vorschriften in Hygiene-, Strahlungs- oder Ex-Bereichen sicher umsetzen oder auch die Standzeiten von Maschinen und Antrieben durch eine entsprechende Konstruktion und Materialauswahl verbessern. In bestimmten Fällen erhöhen sich zudem die konstruktiven Freiheitsgrade – unter anderem dann, wenn Antriebe dort eingesetzt werden können, wo dies bislang undenkbar war. Doch was bedeutet „passgenau“? Aus Sicht der Kunden von Wittenstein Cyber Motor lässt sich das mit „kundenspezifisch ohne Kompromisse“ beschreiben.

Individualisierung kann Motorleistung steigern

Eines der wesentlichen Kompetenzfelder der Wittenstein-Gruppe ist hierbei die Auslegung und Ausführung elektrischer Motoren. So wird durch eine applikationsspezifische Statorausführung, das breite Spektrum von Zwischenkreisspannungen von 12 bis 800 V, das individuelle Design des Statorblechschnitts oder die Optimierung von Elektroblechmaterialien eine Erhöhung der spezifischen Leistungsdaten eines Motors erreicht. Eine applikationsspezifische Wicklung schafft weitere Verbesserungen. Verteilte Wicklung oder Einzelzahnwicklung, individuelle Windungszahlen und Kupferlackdraht-Stärken, parallele Wicklungszweige oder die Wahl zwischen Verguss oder Imprägnierung mit Harz stehen für eine passgenaue Wicklungsauslegung sowie optimale Füllfaktoren und Rastdrehmomente.

Individualisierungspotenziale bietet schließlich auch die Rotorausführung. So können die Permanentmagnete vergraben, eingebettet oder auf der Oberfläche angeordnet werden – und dies in individuellen Packungsdichten. Eine weitere Optimierung lässt sich erreichen durch die Reduzierung von Massenträgheitsmomenten sowie die Vorbereitung des Rotors für eine geberlose Regelung – mit vollem Drehmoment aus dem Stillstand heraus.

Integration des Antriebssystems in die Maschinenumgebung

Ebenso wichtig wie die Konzeption des Motors ist die im Sinne des Wortes „passgenaue“ Integration des Antriebssystems in die mechanische und elektrische Umgebung der jeweiligen Maschinen- und Steuerungstechnik. Die grundsätzliche Auslegung, die vom gehäuselosen Motor bis zum kompletten Antriebsmodul mit Getriebe, Spindel, Haltebremsen und anderen Komponenten reichen kann, die Adaption des Motors an vorhandene einbautechnische Bedingungen sowie die passende an- und abtriebsseitige Anbindung über geeignete Flanschmaße und die Wellenausführungen ermöglichen individuelle mechanische Integrationslösungen. Geberseitig reicht der Lösungsraum vom Resolver bis zum Motorfeedback-System in volldigitaler Einkabeltechnik. Der elektrische Anschluss kann über offene Kabelenden, Stecker oder im Klemmkasten erfolgen. Die Zahl der individuellen mechanischen und elektrischen Kombinationsmöglichkeiten – und damit auch passgenauer Auslegungsmöglichkeiten – ist also nahezu unbegrenzt.

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Schließlich gilt es, die spezifischen Umgebungsbedingungen in die Konzeption der Motor- und Antriebslösung einfließen zu lassen. Die bei Wittenstein verfügbare Materialauswahl ermöglicht den Bau von Motoren in passenden IP-Schutzarten, unter anderem für Hoch- und Tieftemperaturumgebungen, für den Einsatz unter Vakuum und in Reinräumen, für Anwendungen in explosionsgefährdeten und strahlungsbelasteten Bereichen oder in Lebensmittel verarbeitenden und Getränke abfüllenden Maschinen und Anlagen – hier bis hin zur hygienegerechten Auslegung. Entsprechend ihrer Ausführung und ihrem Einsatzumfeld erfüllen die Motoren die Voraussetzung für Zertifizierungen wie beispielsweise CE, UL oder IECEx/Atex.

Passgenaue Antriebe: das technische, logistische und wirtschaftliche Optimum

Die Möglichkeit, Motoren in dieser technologischen Tiefe und Anwendungsbreite individuell und passgenau auszulegen, unterscheidet Wittenstein Cyber Motor von vielen Anbietern mechatronischer Antriebstechnik. Die technischen Vorteile, die sich hieraus ergeben, werden ergänzt um logistische und wirtschaftliche Mehrwerte für die Kunden. Das Know-how erfahrener Ingenieure und Techniker des technischen Vertriebs gerade auch im Projektgeschäft, abgestufte Softwaretools für die Antriebsauslegung und Simulationsmodelle ermöglichen ab dem frühestmöglichen Zeitpunkt im Projekt die Validierung technischer Parameter. Dies gewährleistet einen effizienten Entwicklungs- und Umsetzungsprozess.

Gemeinsam mit dem Kunden wird die optimale Lieferschnittstelle abgestimmt – sei es der Motor pur zur Inhouse-Integration, die Montage kundenspezifischer Beistellteile oder das komplette Plug-and-play-Antriebsmodul. Partnerschaften mit Siemens, Schneider, B&R oder Rockwell sowie das geschulte Supportteam von Wittenstein bieten Sicherheit bei der Einbindung in Fremdanlagen sowie bei Inbetriebnahme und Service. Schließlich sind Entwicklung und Bau der passgenauen Antriebslösungen in die fertigungs- und logistisch optimierten Strukturen und Abläufe der Innovationsfabrik, dem Mechatronikzentrum für die Entwicklung und Fertigung von Produkten und Systemen von Wittenstein, eingebettet und profitieren dadurch auch von deren umfangreichen Prüfmöglichkeiten und Qualitätsstandards.

Für die meisten Kunden ist die Möglichkeit der passgenauen Motorauslegung bei gleichzeitig individueller Abstimmung des Lieferumfangs und der Leistungsschnittstelle auch mit wirtschaftlichen Vorteilen verbunden, denn oft müssten sie sonst selbst erheblich in eigene Fertigungs- und Montagekapazitäten investieren und auch das Schnittstellen- und das Performance-Risiko tragen, welches ihnen Wittenstein Cyber Motor durch das Konzept des „Alles aus einer Hand“ abnimmt.

* Christoph Weis ist Produktmanager, Kay-Horst Dempewolf ist Leiter Entwicklung spezifische Antriebssysteme bei der Wittenstein Cyber Motor GmbH in 97999 Igersheim

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