Antriebe und Steuerungen

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause,

Antriebstechnik-News

Die Bedeutung der Antriebstechnik wächst noch mehr wegen der Kfz-Technik. Die Grundstruktur des Einzelantriebs (EN 61800-3 Power Drive System, IEC-TC 22 Adjustable Speed Drive) besteht aus energetischem Teilsystem sowie aus Informationsverarbeitung, deren Aufgaben sich ständig bei Schutz/Sicherheit und Monitoring, Bedienung und Diagnose, Kommunikation, IoT-Anschluss mit dezentraler Intelligenz sowie Effizienz erweitern.

Integrierter, kompakter, modularer AC-Servomotor MAC1500 1,5 kW. © Quelle/ Hersteller: JVL Industri Elektronik A/S

Die Funktionalität steigt insbesondere hinsichtlich individueller Fertigungsanforderungen/Flexibilität, Einsatzbedingungen/Schutzklassen/EMV, EE-Versorgung, Dynamik, rückblickender und vorausschauender Energie- und Ressourceneffizienz, Safety und Security, Platz, Verfügbarkeit, Industrie-4.0-Passfähigkeit, Vernetzbarkeit über sichere Schnittstellen. Beispiele werden vorgestellt. Die externen Komponenten Arbeitsmaschine und speisendes Netz beeinflussen das Übertragungsverhalten. Bei der Projektierung sind sie weiterhin zu beachten.

Elektrische Maschinen
Bekannte Funktionsprinzipien bleiben unverändert beziehungsweise werden ihrer wirtschaftlichen Nutzung zugeführt. Verbesserungen zeigen sich im gesamten Leistungsbereich bei Erregung und Flussführung (axial/transversal), Kühlung und Lagerung, Energieeffizienz, Überlastfähigkeit und Raumbedarf. Kompatibel zur EU-Motorverordnung EG 640/2009 profitieren davon höhere Drehzahlen, Direktantriebstechnik, Einsatzbedingungen und Robustheit, Wirkungsgrad bei Teillast, Kompaktheit sowie Systemdynamik.

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Synchronmaschine SM Mit Permanentmagnet-PM-Erregung arbeitet sie wirtschaftlicher als ein Asynchronmotor in allen Einsatzgebieten inclusive E-Mobilität (höher ausnutzbar, vielpolig, feldschwächbar, Direkt-Torque-Motor ggf. mit Wasserkühlung, Effizienzklasse IE 4 u. ä.)

Segmentierter, innenliegender Stator eines PM-erregten Axialflussmotors, TORUS-Maschine mit geringer axialer Ausdehnung für flache Bauräume und hohes Drehmoment. © Direktantrieb geeignet; Quelle: Dipl.-Ing. Jacob Jung, TU Dresden, Lehrstuhl Elektrische Maschinen und Antriebe, Prof. Dr.-Ing. W. Hofmann

Reluktanzmaschine RM Bei der robusten RM ohne PM positioniert sich der Läufer nach dem geringsten magnetischen Widerstand (Reluktanz) synchron (RM), geschaltet (GSRM) oder Transversal (TFRM) drehend. Als IE 4- und E-Auto-tauglicher Konkurrent der PM-SM spart sie frequenzumrichtergespeist bis zu 40 % Energie.

Gleichstrommaschine GSM Wegen der verlustärmeren GS-Versorgung mit EE erlebt sie eine Renaissance.

Motoren kleiner Leistung Bürstenlose GS-Servo-Motoren mit Axialflusstechnik (hohe Leistungsdichte und Robustheit, Drehzahlerweiterung > 3.000 min-1, Luft- oder Flüssigkeitskühlung) eignen sich für Robotik und Handling auch als Kompakt-Servo-Antriebe (Motor, Getriebe, Regeleinrichtung, Messsystem). Entsprechende Präzision bieten kompakte Schrittantriebe (Außenläufer mit Stator-Innenkühlung). PM-Axialfluss gestattet TORUS-Aufbau.

Smarte Mikroantriebe  enthalten alle wichtigen Funktionen der baugrößeren Verwandtschaft auf einem Chip.

Matrix-Umrichter mit bidirektionalen SiC-Schaltern. © Quelle: www.eal.ei.tum.de, Prof. Dr.-Ing. Ralph Kennel

Motoren großer Leistungen Sie nutzen (auch für Retrofit) die Supraleitung HTSL. Ihr geringeres Gewicht begünstigt rasche Drehzahlwechsel. Dynamisch sind sie konventionellen Elektromotoren überlegen (als Torque-Motoren RM, SM, für schnelllaufende, vibrationsfeste Axialfluss-Maschinen).

Die Entwicklung der Leistungselektronik befeuert MS-Antriebe.

Magnetlager lassen sich wirtschaftlich als Radial- wie Axiallager in Motoren integrieren. Ihr Aufbau entspricht prinzipiell einer stromrichtergespeisten Außenpolmaschine.

Bidirektionaler Schalter BDS S11-S33.

Leistungselektronik LE
Obwohl Si weiterhin wichtigstes Basismaterial ist, besitzen Alternativen wie SiC, GaN – auf Si-Träger GaN-on-Si, GaS das Potenzial (höhere/r Wirkungsgrad, Leistungspegel, Schaltfrequenz) zu Ersatz und Ergänzung. Den Fortschritt bestimmt ihre dreidimensionale Struktur. Funktionen in der vertikalen Ebene steigern Energiedichte und Schaltgeschwindigkeit. Aussichtsreich für die Serienfertigung zeigen sich SiC sowie GaN. Solche IGBTs und MOSFETs dominieren intelligente Antriebsstromrichter, auch im MS-Bereich. Bauelemente wie MOS-controlled Thyristor MCT erlauben hinsichtlich Platz, Leistungsdichte, Wirkungsgrad verbesserte Schaltungen mit bipolaren Schaltern. Treibend zeigt sich wiederum die E-Mobilität.

Energieversorgung
Neben der MS-/NS-Einspeisung bieten sich befördert von der LE zunehmend Gleichstromquellen wie EE, Brennstoffzellen, Akkus zur Nutzung. Zudem unterstützen lokale wie Fern-GS-Netze ohne kapazitive Verluste (vgl. etwa HGÜ für die Einspeisung von Off-Shore-Windenergie).

Sensorik
Infolge der Vernetzbarkeit wachsen „Geber mit skalierbarer Intelligenz“ über ihre ursprüngliche Aufgabe, obwohl sie in geberlosen Strukturen ersetzt werden. Auch sie unterstützen mit erweiterten Fähigkeiten Evaluieren, Überwachen, RF-Identifikation, zustandsbasiertem Warten, anpassungsfähigem Schützen/Sichern und Automatisieren als cyber-physikalische Systeme CPS die intelligente Infrastruktur. Klassische Prinzipien werden durch wartungsarme, ggf. drahtlose, neue physikalische Effekte in miniaturisierter Bauform bis Sicherheitslevel SIL3/PLe (http://www.pepperl-fuchs.com) ersetzt beziehungsweise ergänzt.

Gesamtfunktion/Informationsverarbeitung
Trend ist ihre Intelligenz. Systeme entstehen modular aus dem Baukasten der Anwendung angepasst. Überwachungs- und Kennlinienfunktionen, Überlastadaption, automatische Parameteridentifikation, integrierter Bremschopper, PID-Regler, SPS, Monitoring gehören zur Grundausstattung. Selbsttätig wird der Magnetisierungsstrom bei Teillast ermittelt. Mehrachsen-Motion-Control-Architekturen lassen sich in Verbindung mit Invertern und robusten, EM-verträglichen Ein-Kabel-Hybridleitungen skalierbar umsetzen. Eine Maschinensteuerung kann für CNC- und Robotik-Funktionen erweitert werden. Geberlose Verfahren gehören zum Standard. Gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung resistentere Antriebe hoher Energieeffizienz speisen Bremsenergie annähernd oberschwingungsfrei ins Netz. Intelligente, IoT-kompatible Vernetzung (lokal wie global cloud-gestützt) sowie Zustandsüberwachung steigen. Fortschritte führen zu verbesserten Soft-Startern in platzsparender Kompaktform (http://www.abb.com).

Verschiedenes
Ressourcen- und Energieeffizienz steigern ebenfalls passive Bauelemente (Leistungswiderstände, wärmeabführende Kondensatoren für Umrichter, Chipferrite gegen HF-Störungen u. ä.). Hohen Stellenwert besitzen passive wie aktive Kühlung (mit Luft, geräuschmindernder Flüssigkeit). Konventionelle Motorstarter erreichen Innovationen wie die Push-in-Technologie (http://www.abb.com K-Serie). Spielfreie, sehr genaue Getriebe höchster Drehmomentendichte verbessern die Antriebstechnologie bevorzugt im Bereich handling (http://www.harmonicdrive.de).


Flussführung Radial - senkrecht zur Achse (konventionelle Maschinen, RM); axial - parallel zur Achse  (Scheibenläufer-, Transversalflussmotor, RM).

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