Erschienen am: 08.02.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 1+2 2018

Gehäuselose Motoren für spezielle Antriebslösungen

Individuell zugeschnitten

Gehäuselosen Motoren bieten ein interessantes Lösungskonzept für servotechnische Anwendungen, die mit Antriebstechnik von der Stange nichts anfangen können. Dafür ist sowohl eine breite Motorenbasis sowie eine hohe Entwicklungs-, Fertigungs- und Integrationskompetenz nötig. Nur dann entstehen einsatzspezifische Einbaumotoren, individuell zugeschnitten auf die jeweilige Anwendung.


Die Arbeitsplätze, an denen die Statoren gewickelt werden, sind Teil einer hochspezialisierten Kleinserienmanufaktur bei Wittenstein.
Bild: Wittenstein AG

Ausgangspunkt eines Kundenprojekts sind zumeist besondere Anforderungen hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Einbauraums, des zulässigen Gewichts, der Integration oder der Leistungs- und Drehmomentdichte eines Motors. Manchmal aber möchte ein Kunde einfach möglichst viel Wertschöpfung im Unternehmen behalten oder die Motoren im eigenen Corporate Design ausführen. Mit den Cyber Kit Motors kann Wittenstein unterschiedliche Anforderungen individuell bedienen und auch auf besondere Integrationswünsche eingehen.

Permanentmagneterregter Synchronmotor

Grundlage der gehäuselosen Motoren ist die permanentmagneterregte Synchronmaschine, wie sie das Unternehmen in seiner Innovationsfabrik in hohen Stückzahlen fertigt. Verschiedene Gründe sprechen für diesen Typ von elektrischen Maschinen. So lassen sich die Motoren aufgrund ihres geringen Bauvolumens einfach integrieren. Hinzu kommt, dass der Rotor einer permanentmagneterregten Synchronmaschine im Betrieb vergleichsweise kühl bleibt, weil Stromwärmeverluste - im Gegensatz zu Asynchronmotoren - ausschließlich im Stator entstehen. Das macht es einfacher, die entstehende Wärme des gehäuselosen Einbaumotors durch äußere Kühllösungen abzuführen. Darüber hinaus verfügt das Unternehmen über das Know-how und die erforderlichen Produktionsmittel zur Herstellung gehäuseloser Motoren und deren Komponenten, z.B. individueller Blechpakete. Bei Bedarf werden die Kunden zudem bei der Integration der Motoren in ein spezifisches Maschinenumfeld oder deren eigene Gehäuse unterstützt.

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Motor ohne Gehäuse, Lager und Geber

Rotor und Stator - das ist der auf das Wesentliche reduzierte Lieferumfang der Motoren, auch wenn sie sich optional um Sensoren, mechanische Schnittstellen, eine Flüssigkeitskühlung oder einen besonderen Kabelabgang ergänzen lassen. Die Motoren lassen sich in verschiedenen Statoraußendurchmessern, Blechpaketlängen, Hohlwellendurchmessern und Rotorvarianten entweder besonders leistungs- oder drehmomentstark dimensionieren. So kann ein Leistungsbereich von 10W bis 200kW bei Abmessungen von 19 bis 440mm im Außendurchmesser abgedeckt werden. Unterstützt wird die Auslegung durch zwei leistungsfähige Berechnungswerkzeuge. Mit dem Softwaretool Cymex 5 lassen sich die erforderlichen Leistungsdaten genau ermitteln, die sich aus einer Bewegungsaufgabe ergeben. Mit einem weiteren Programm zur Kennlinienberechnung werden - ausgehend von vorhandenen Synchronmaschinen - die gehäuselosen Einbaumotoren im Detail definiert und hinsichtlich äußerer Bestimmungsgrößen wie Spannung, Temperatur, Frequenz und Strom dimensioniert. Das ermöglicht es, das voraussichtliche Betriebsverhalten quantitativ zu bewerten, den Spannungsabfall unter Last oder den Anstieg der Umgebungstemperatur zu simulieren und so die Drehmoment-Drehzahlkennlinie möglichst exakt auf die Anforderungen der Applikation abzustimmen. Ohne großen Aufwand lassen sich zudem mehrere Motoren mit unterschiedlichem Durchmesser bewerten und so die passende Lösung ermitteln.

Kleinserienmanufaktur mit Wickelkompetenz

Als Motorenhersteller ist Wittenstein in der Lage, Motoren sowohl mit konzentrierter als auch mit verteilter Wicklung der Statoren auszuführen. Bei Bedarf kann eine Wicklung bei besonderen Sicherheitsanforderungen auch redundant ausgeführt werden. Die Einbaumotoren der Baureihe nutzen in den meisten Fällen das Prinzip der verteilten Wicklung, das sich u.a. durch eine hohe Lebensdauer und ein geringes Rastdrehmoment auszeichnet. Ursächlich hierfür ist u.a., dass das Träufeln der Spulen in die Nuten in Handarbeit erfolgt. Ausgeführt wird die Arbeit, die viel Feingefühl und Ruhe erfordert, von sehr erfahrenen Fachkräften, die die Drähte mit großer Sorgfalt ohne mechanische Belastung in die Nut einbringen, sodass die Isolation nicht beschädigt wird. Hieraus resultieren langlebige Einbaumotoren mit applikationsspezifisch veränderbaren Kupferfüllfaktoren, die sich zudem durch ein kleines Rastdrehmoment von ca. einem Promille auszeichnen und so präzise Bewegungen ermöglichen. Sind die Statoren gewickelt, werden sie einschließlich des Wickelkopfes entweder mit Harz imprägniert oder mit Epoxid vergossen. Letzteres empfiehlt sich dann, wenn der Motor einer hohen thermischen Belastung unterliegt oder eine große Wärmeableitung erforderlich ist. Die Arbeitsplätze, an denen die Statoren handgewickelt werden, sind Teil einer hochspezialisierten Kleinserienmanufaktur mit einer Reihe von Maschinen und Stanzwerkzeugen für individuelle Blechpakete sowie Vorrichtungen zum Bearbeiten, Imprägnieren und Vergießen von Statoren. Sie bietet die notwendige Flexibilität, um auf kundenspezifische Forderungen wie Blechpaketlänge, Temperaturfühler oder Windungszahl einzugehen. Zudem ermöglicht sie es, Präzisionsmotoren bereits ab Losgröße 1 bis in kleine Serien von bis zu wenigen tausend Stück individuell sowie wirtschaftlich zu fertigen. Gleichzeitig ist die Kleinserienmanufaktur in die fertigungs- und logistisch angepassten Strukturen und Abläufe der Innovationsfabrik eingebettet und profitiert von deren umfangreichen Prüfmöglichkeiten und Qualitätsstandards.

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Integration in Eigenregie oder Komplettierung

Neben der Entwicklungs- und Fertigungskompetenz bietet das Unternehmen den Kunden die Möglichkeit, sie bei der Integration der gehäuselosen Motoren in die jeweilige Applikation zu unterstützen. Das kann bei einer Integration in Eigenregie durch Beratungsdienstleistungen und Support direkt beim Kunden geschehen, aber auch vor Ort im Rahmen einer gemeinsamen Vorwärtsintegration. Hierbei liefert der Kunde seine Beistellteile in die Innovationsfabrik - die komplette Montage zur einbaufertigen Baugruppe einschließlich der erforderlichen Prüfmaßnahmen übernimmt Wittenstein. Für die zweite Option hat sich z.B. Ehrt Maschinenbau entschieden, als es darum ging, einen Direktantrieb für Gewindeformer in Stanzmaschinen zu realisieren.

Ganzheitliche Beratung

Mit den gehäuselosen Motoren der Baureihe Cyber Kit Motors bedient Wittenstein ein attraktives Marktsegment, in dem das Unternehmen nicht nur seine Entwicklungs-, Fertigungs- und Integrationskompetenz unter Beweis stellen kann, sondern seine Kunden auch ganzheitlich berät. Die Lieferung von gehäuselosen Motoren ist nämlich keineswegs für jeden Elektromotorbauer selbstverständlich, denn der Beratungsaufwand kann groß und vielschichtig sein. Vermittelt werden müssen zum einen technische Kenntnisse und Zusammenhänge, z.B. zu den Motoren selbst, zur ihrer Lagerung im Kundengehäuse oder auch zum Zusammenspiel eines Motors mit einer Leistungselektronik, deren Inbetriebnahme und Parametrisierung sowie zur Abfuhr der im Antrieb entstehenden Verlustleistung durch geeignete Kühlverfahren. Zum anderen können sich für den Kunden eine Reihe rechtlicher Verpflichtungen zur Prüfung und Kennzeichnung ergeben - weil der, der gehäuselose Motoren kauft, selbst zum Hersteller wird oder als solcher auftreten kann. Der Endkunde, der mit dem gehäuselosen Motor in eigener Verantwortung elektrische Maschinen fertigt und diese in den Verkehr bringt, übernimmt alle damit verbundenen Pflichten, wie die normgerechte Prüfung, die Erstellung von Betriebsanleitungen und die Kennzeichnung der Motoren mit Typenschildern. Insofern muss er nicht nur technisch, sondern auch rechtlich die Gesamtverantwortung übernehmen. Auf der anderen Seite jedoch profitiert er von den sich ergebenden technischen und wirtschaftlichen Gestaltungsmöglichkeiten bei den mechanischen Teilen des elektrischen Antriebs, der quasi als Bestandteil seiner Maschine wenig Bauraum und Schnittstellen erfordert und der zugleich im Allgemeinen eine kompakte und massearme Antriebslösung darstellt. Die gehäuselosen Servomotoren ermöglichen eine Vielzahl individueller Antriebslösungen u.a. für die Mess- und Prüftechnik, die elektrische Automatisierung, die Halbleiter- und Elektronikfertigung, für Montage- und Fertigungsmaschinen im Bereich Robotik und Handling sowie in der Verpackungstechnik.

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