Antriebstechnik Rotative Direktantriebe für High-Speed-Anwendungen

Rotative Direktantriebe ersetzen mehr und mehr konventionelle Getriebelösungen in vielen Applikationen. Durch den Wegfall von Getriebe, Riemen oder Spindel entsteht ein spielfreies System. Die erhöhte Systemsteifigkeit ermöglicht hoch dynamische Beschleunigungen und eine sehr genaue Positionierung. Darüber hinaus werden die Taktzeiten verkürzt.

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Bei Direktantrieben entspricht die Drehzahl der Arbeitsmaschine der des Antriebes. Durch den Wegfall des Getriebes entfallen so vor allem bei sehr kleinen oder hohen Drehzahlen die störenden Getriebeverluste. Durch den Wegfall vieler drehender Teile arbeiten Direktantriebe leise, verschleiß- und wartungsfrei. Ölwechsel an Antrieben gehören der Vergangenheit an. Ein weiterer Nutzen, wenn man an Reinraumanwendungen denkt.

Für High-Speed-Anwendungen hat die Ina Drives and Mechatronics GmbH & Co. KG (Idam), Suhl, die beiden High-Speed-Motortypen HSR und HSRV entwickelt. Sie sollen höchste Umfangsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hohen verfügbaren Drehmomenten erzeugen. Sie unterscheiden sich von den Spindelmotoren vor allem durch die höheren Polzahlen. „Bei mechanischen Abgabeleistungen bis etwa 50 kW können die Umfangsgeschwindigkeiten dieser kundenspezifisch ausgelegten Motoren bis zu 50 m/s – also Eilzuggeschwindigkeit – erreichen“, sagt Marko Pfeiffer, Branchenleiter Werkzeugmaschinen der Ina Drives & Mechatronics GmbH & Co. KG.

Siemens A&D mit breitem Spektrum rotativer Direktantriebe

Bezogen auf rotative Direktantriebe bietet die Sparte A&D der Siemens AG in Erlangen ein breites Produktspektrum an, von der Reihe 1FE1 als Einbaumotoren für High-Speed- und High-Torque-Anwendungen angefangen über 1FW6 -Torquemotoren für High-Torque- Anwendungen als Einbaumotoren bis hin zu den Reihen 1FW3- und 1FW4-Torquemotoren als Komplettmotoren. Michael König, zuständig für das Productmanagement Drives bei der Siemens AG, Automation and Drives, Erlangen, ergänzt: „Die genannten Reihen sind bereits auf dem Markt etabliert, sie werden aber konstant weiterentwickelt.“

Auch die Bosch Rexroth AG bietet ein komplettes Programm an High-Speed-Motoren für Werkzeugmaschinen an. Dr. Roland Steffan, Bosch Rexroth AG, Leiter Produktmanagement elektrische Antriebe, erläutert: „Rexroth stellt sowohl Synchron- als auch Asynchronmotoren für High-Speed-Anwendungen her. Die flüssigkeitsgekühlten Asynchronmotoren der Bausatzmotoren 1MB sind die kostengünstige und bewährte Antriebslösung für klassische Anwendungsfälle des Werkzeugmaschinenbaus, von der Drehmaschine bis zur Motorspindel.“

Besondere Merkmale seien die hohe Leistungsdichte und Laufgüte in einer kompletten Baureihe mit unterschiedlichen Baugrößen und Leistungsabstufungen sowie die optional hydraulisch demontierbaren Rotoren. „Die Synchronmotoren der Baureihe Indradyn H“, fährt Dr. Steffan fort, „decken den High-End-Bereich für Bearbeitungsprozesse mit hohen Anforderungen an Präzision, Dynamik und Drehzahlen bis 30 000 min–1 ab, zum Beispiel in Motorspindeln.“

Komplettes Programm an High-Speed-Motoren

„Alle Statoren sind standardmäßig mit einem innovativen Kühlsystem ausgestattet, wobei die im Stator integrierten Kühlkanäle einen geschlossenen, anschlussfertigen Kühlkreislauf bilden“, sagt Dr. Steffan. Die konstruktive Verantwortung für die Kühlung des Bausatzmotors werde somit von der Maschine in den Motor verlagert und erspare dem Maschinenbauer den gesamten konstruktiven Aufwand der maschinenseitigen Abdichtung und Anpassung an einen herkömmlichen, offenen Motorkühlmantel. Service und Demontage würden damit auch erheblich vereinfacht, mögliche Stillstandszeiten reduziert. Darüber hinaus seien bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen keine Spannungsschutzmodule (Voltage Protection Modules) erforderlich.

Eingesetzt werden die rotativen Direktantriebe von Siemens laut Michael König in Hauptspindelanwendungen als Einbaumotoren oder als komplette Motorspindeln mit Spannsystem, Werkzeug- und Werkstückschnittstelle. Darüber hinaus werden sie als Vorschubantriebe bei Rundtischen und Schwenkachsen aber auch in Spritzgieß- und Druckmaschinen verwendet. „Der Kunde erhält bei Rexroth nicht nur Einzelkomponenten, sondern eine komplette, getestete und skalierbare Systemlösung aus aufeinander abgestimmten Bausteinen und umfangreiche weltweite Serviceleistungen“, konstatiert Dr. Steffan. Dies reduziere seinen Konstruktions- und Anpassungsaufwand und er benötige weniger Einzelkomponenten pro Achse.

Auch das Direktantriebs-Produktspektrum von Siemens umfasst die notwendige Antriebs- und Steuerungstechnik wie zum Beispiel die Antriebsreihe Sinamics. „Motion-Control-Funktionen können hier einfach integriert werden“, erläutert König, „und für die Koordination komplexer Anlagen und der Steuerung von Werkzeugmaschinen stehen die übergeordneten Steuerungssysteme Simotion beziehungsweise Sinumerik zur Verfügung. Die Aufbauvarianten sind als Panel-based und Drive-based verfügbar. Wir bedienen also die durchgängige Kette der Automatisierung.“

Mit Hilfe der angebotenen integrierten Funktionalitäten lassen sich laut König sowohl die komplette Bewegungsführung als auch die notwendigen zusätzlichen SPS-Funktionalitäten realisieren.

Direktantriebe ermöglichen kompaktes Design

Mit dem Einsatz von Direktantrieben lassen sich laut König viele Vorteile vereinen: „Durch die direkte Integration der Motoren in die Maschine kann kompakter konstruiert und gebaut werden. Die Achsen erzielen höhere Dynamikwerte und Genauigkeiten. Gleichzeitig reduziert sich der Wartungsaufwand.“ Die meisten Vorteile beruhen laut König auf der Reduzierung des Anteils von mechanischen Verschleißteilen wie Kugelrollspindeln, Zahnstangen, Getrieben und der damit verbundenen mechanischen Elastizitäten.

Für die einfache und optimale Integration gibt es die Direktantriebe von Siemens auch mit integrierten Kühlsystemen. „Damit lässt sich der Wärmeübertrag an die Maschine effektiv auf ein Minimum reduzieren“, stellt König fest und sagt: „Die von uns angebotenen Lösungen sind durchgängige, aufeinander abgestimmte Systeme.“

Dass die Direktantriebstechnik noch Potenzial besitzt und dass Idam dort fleißig weiterentwickelt, zeigt Marko Pfeiffer auf: „Mit besonderen, patentierten Wicklungsstrukturen sind selbst bei größeren Durchmessern bis in den Meterbereich deutlich höhere Drehzahlen als bei den High-Torque-Typen (RI, RE) möglich. Für medizintechnische Anwendungen wurde der Motor HSRV entwickelt. Dieser zeichnet sich zusätzlich durch seine Schwingungs- und Geräuscharmut aus.“ Die bei anderen Synchronmotortypen oft noch spürbaren Coggingeffekte seien dort motorintern kompensiert und praktisch nicht mehr spürbar. Grenzen sieht Pfeiffer eher bei den derzeit maximal möglichen Umrichterströmen.

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