Leistungsdichte ist der entscheidende Erfolgsfaktor: Elektrische Atriebstechnik im Maschinenbau und auf der Straße

Das GreenTeam der Universität Stuttgart rüstete innerhalb eines Jahres einen Rennwagen auf Elektro-Antrieb um. Statt eines Verbrennungsmotors verwenden die Studenten nun zwei Servo-Wechselrichter und Synchronmotoren von AMK mit je 47kW, die sonst in Maschinen und Anlagen zum Einsatz kommen. Die Antriebe sind auf eine hohe Leistungsdichte ausgelegt. Das ermöglicht kompakte Abmessungen, spart Bauraum und Gewicht. Die hohe Leistungsdichte brachte dem GreenTeam bei Beschleunigung und Dauerbelastung den ersten Platz. Die Ingenieure bei AMK beschäftigen sich schon seit Jahren mit dem Thema Leistungsdichte. Wodurch lässt sich die Leistungsdichte von Motoren – und damit die Wirtschaftlichkeit von Maschinen und Anlagen weiter steigern? Zunächst einmal gilt es, den wirtschaftlichsten Motortyp auszuwählen. Synchronmotoren sind weitaus effizienter als Asynchronmotoren. Die Synchronmotoren nutzen zum Aufbau des Magnetfeldes Dauermagnete hoher Energiedichte, bei AMK kommen hier Magnete aus seltenen Erden zum Einsatz, deren starkes Magnetfeld auch bei hohen Temperaturen ausreichend Schutz gegen Entmagnetisierung bietet. Durch den optimierten Magnetkreis werden die Verluste gering gehalten. Wärme entsteht durch Eisen- und Wicklungsverluste: Eisenverluste werden hervorgerufen durch die laufende Umpolung der Magnetfelder des Motors, Wicklungsverluste durch den Ohmschen Widerstand der Kupferwicklungen. Je effektiver die Wärmeableitung aus dem Motor ist, desto höher der Dauerstrom. Und je höher die Stromstärke, desto höher das erreichbare Drehmoment. Bei AMK wird die Flüssigkeitskühlung nicht auf ein bestehendes Gehäuse übergestülpt, sondern der komplette Motor ist auf die Wärmeabfuhr durch Wasser abgestimmt und konstruiert. Der Stator besitzt eine gute thermische Anbindung an die Flüssigkeitskühlung bei gleichzeitig hoher Steifigkeit des Motors. Das Ergebnis sind kompakte Bauformen. Das bedeutet nicht nur kleiner, sondern auch leichter und dynamischer als bei Motoren gleicher Leistung, die mit Luftkühlung arbeiten. Die Wärme wird unmittelbar vom Entstehungsort abgeleitet, sie verbreitet sich nicht im Motor. Zuverlässigkeit erhöhen Alle wasserführenden Teile sind aus Edelstahl. Dichtringe werden nicht benötigt. Das reduziert den Wartungsaufwand im Betrieb. Die Abwärme des Motors wird direkt abgeführt und hat keinen Einfluss auf den Produktionsprozess. In der Druck- und Papierindustrie beispielsweise hat das Hallenklima Einfluss auf den Produktionsprozess. Die direkt abgeleitete Wärme spart so das nachträgliche Kühlen über Klimageräte. Die Oberfläche der flüssigkeitsgekühlten Motoren bleibt kalt, und es müssen weder Filter noch Kühlrippen gereinigt werden. Da nicht Luft, sondern Wasser zur Kühlung verwendet wird, gibt es bei Aufstellhöhen über 1.500m keine Leistungseinbußen, ebenso wenig bei Betrieb in trockener Wärme. Mit dieser Kühlmethode der Motoren war es für den Rennwagen des GreenTeams möglich, als einziger auch am Schluss des 22km Distanzrennens ebenso gute Rundenzeiten wie zu Beginn des Rennens abzuliefern. Leistungsdichte fast vervierfacht Im Vergleich zur Konvektionskühlung ermöglicht Flüssigkeitskühlung ein etwa doppelt so hohes Dauerdrehmoment. Die Leistungsdichte steigt fast auf das Vierfache, da die Massenträgheit des Rotors beim flüssigkeitsgekühlten Motor mit gleichem Dauerdrehmoment erheblich kleiner ist und dadurch schneller beschleunigt und abgebremst werden kann. Diese Dynamik bringt z.B. beim Einsatz in Spritzgießmaschinen den entscheidenden Vorteil, denn hier trägt jede Millisekunde zur Produktivitätssteigerung der Maschine bei oder in der Robotik, bei der sich kurze Zykluszeiten direkt auf die Produktivität auswirken. Kein Getriebe notwendig Die hohe Momentdichte gibt die Möglichkeit, auf Getriebe und andere mechanische Übertragungselemente wie Zahnriemen zu verzichten und Maschinen direkt anzutreiben. Direktantriebe wirken direkt auf die anzutreibende Achse. Somit ist es möglich, Positionen genauer anzufahren und zu halten. Es gibt keine Ungenauigkeiten durch das Getriebespiel, im Gegenteil – die Genauigkeit steigt. So sind bei einem Anwender bei Transportsystemen im Produktions- und Primärverpackungsprozess bis zu hundert Motoren auf kleinem Raum in einer Maschine im Einsatz. Die Ergebnisse in Genauigkeit, Maschinenverfügbarkeit, Energieeffizienz und reduzierter Geräuschemission sind beeindruckend. Die Hightorquemotoren der AMK-Baureihen DT und SKT bieten die Drehmomentdichte, die für Direktantriebe nötig ist. Sie stellen Dauerdrehmomente bis zu 650Nm bereit. Der Direktantrieb hat auch den Vorteil, dass sich die Drehzahlen reduzieren und somit weniger Verschleiß auftritt. Mechanische Ausführungen Die Motorenbaureihe SKT sind Synchronmotoren mit Hohlwelle. Eine im Motor integrierte Axiallagerung ermöglicht das direkte Anflanschen eines Gewindetriebs. Die Kombination aus Hohlwellenmotor und Gewindetrieb ergibt eine elektrische Linearachse, die schnell und präzise positionieren kann. Die AMK-Systeme können Axialkräfte von bis zu 570kN aufnehmen. In dieser Kombination können die Motoren den Vorteil Leistungsdichte voll ausnutzen. Hohlwellenmotoren stellen eine klare Alternative zu Linear- und Hydraulikantrieben dar. Ihre Genauigkeit ist höher, weil sie nicht mit den zahlreichen Nichtlinearitäten des Hydrauliköls zu kämpfen haben. Die Hohlwellenmotoren sind in unterschiedlichen Varianten und Leistungsstufen verfügbar. Die stärksten Motoren der Baureihe sind mit Flüssigkeitskühlung ausgeführt. Reduziertes Schaltschrankvolumen Die beiden Synchronmotoren des GreenTeam-Rennwagens sind an Wechselrichter der Serie KW angeschlossen. Im Maschinen- und Anlagenbau werden die Geräte für die schnelle und effiziente Wärmeabfuhr auf eine Coldplate im Schaltschrank montiert. Für eine optimale Wärmeabfuhr ist die Coldplate mit Flüssigkeitskühlung ausgestattet. Damit lässt sich die Verlustwärme der Leistungshalbleiter sehr genau abführen. Die Leistungsdichte zeigt sich in der Kompaktheit der Geräte. Das so reduzierte Volumen des Schaltschranks ermöglicht es, diesen in die Maschine zu integrieren. Die Konstrukteure gewinnen Spielräume für die ergonomische und kompakte Gestaltung von Maschinen und Anlagen. In Produktionsbetrieben wird der Flächenverbrauch dadurch reduziert. Die Einspeisemodule KE/KES, die die Netzspannung in eine Gleichspannung wandeln und über den Zwischenkreis den Wechselrichtern zur Verfügung stellen, gibt es auch mit integrierter Rückspeisung der Energie ins Netz. In der Geräteausführung KES werden sinusförmige Netzströme produziert, welche die Netzbelastung stark reduzieren und zu einem Powerfaktor nahe 1 führen. So zahlt es sich aus, wenn z.B. in Druckanlagen die Energie, die beim Abbremsen der Papierrolle über einen Elektromotor anfällt, ins Netz zurückgespeist wird. Dynamische Regler Die Antriebsregelung wird bei AMK auf Reglerkarten realisiert, die in die Wechselrichter eingesteckt werden. Über Vektorregelung werden die Synchronmotoren geführt, d.h. der Flussvektor des Rotors wird in einem mathematischen Modell im Wechselrichter nachgeführt. Neben hochwertigen klassischen Regelfunktionen für die Servo-Antriebstechnik bieten neue Filter z.B. für den Geschwindigkeits-Istwert oder Filter zur Eliminierung zyklisch auftretender Einflüsse die richtigen Werkzeuge für hochdynamische Anwendungen. Sicherheit und Engineering-Tools Alle Wechselrichter gibt es mit einer Endstufenfreigabe. AMK führt die Soft- und Hardware-Komponenten der Sper­re redundant aus. Die Endstufenfreigabe ermöglicht eine sichere Blockierung des Motors gegen Wiederanlauf (STO). Sie ist zertifiziert in der Sicherheitskategorie 4 nach EN954-1 und PL e nach EN ISO13849-1. Das Engineering-Tool Aipex Pro ermöglicht die schnelle Parametrierung, Feldbuskonfiguration und Inbetriebnahme der Antriebe. Es ist ein All-in-one-Tool. Bei der Parameterbearbeitung bietet es u.a. vollen Zugriff auf sämtliche Parameter aller Einzelgeräte via Feldbus, Unterstützungswizzards, umfangreiche Diagnosemöglichkeiten mit Onlinehilfe und eine integrierte Motorendatenbank. Über Echtzeit-Ethernet (Ethercat oder Varan) läuft die Kommunikation zwischen der Amkamac A5-Steuerung, den Wechselrichtern und anderen Busteilnehmern. So ist eine durchgängige Echtzeitkommunikation gewährleistet. Damit lassen sich bis zu 1.000 Achsen synchron in Echtzeit betreiben, wie der Einsatz in großen Zeitungsdruckanlagen zeigt. AMK liefert die komplette Hard- und Software für Systeme, die die koordinierte Führung mehrerer Achsen in Echtzeit erfordern. Auch im zweiten offiziellen Rennen der Formula Student haben die Antriebe von AMK, die sonst im Maschinenbau eingesetzt werden, beeindruckt und gewonnen. Somit hat das GreenTeam der Universität Stuttgart souverän den Weltmeistertitel der Formula Student Electric eingefahren. Hannover Messe 2011 / Halle 16, Stand C05