Der Motor ist die zentrale Komponente eines jeden elektrischen Antriebs. Er dient als Energiewandler, der im motorischen Betrieb die zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Im generatorischen Betrieb (z.B. bei Bremsvorgängen) dreht sich der Energiefluss um. Servomotor bezeichnet einen Motor, der in einem geschlossenen Regelkreis an einem Antriebsregelgerät betrieben wird. Einige typische Einsatzfälle sind schnelle Drehzahl- und Drehmomentänderungen, der Betrieb im Stillstand zum Halten von Positionen oder der kurzzeitige Betrieb mit Überlast für dynamische Beschleunigungsvorgänge. Zur optimalen Anpassung an die Applikationen stehen Motorgeber in unterschiedlichen Genauigkeitsklassen, Haltebremsen, Ausführungen für Ex-Bereiche oder eine erhöhte Schutzart zur Verfügung. Die Kennlinien von Servomotoren werden als Grenzkennlinien angegeben. Man unterscheidet die thermischen und dynamischen Grenzkennlinien. Die thermische Grenzkennlinie bezeichnet den Bereich, für den der Motor im Dauerbetrieb ausgelegt ist (S1-Betrieb). Abhängig von der Kühlart kann unterschiedlich viel Verlustleistung aus dem Motor abgeführt werden, was zu unterschiedlichen S1-Kennlinien führt. Die dynamische Grenzkennlinie kennzeichnet dagegen den Bereich, in dem der Motor kurzzeitig betrieben werden kann. Asynchron- oder Synchron-Servomotoren Heutige Servomotoren arbeiten in der Regel nach Drehstrommotorprinzip. In einem Stator mit drei versetzten Wicklungen wird durch die Einspeisung dreiphasiger sinusförmiger Wechselspannungen ein rotierendes Drehfeld oder ein Wanderfeld erzeugt. Die Wechselspannung wird mit variabler Frequenz aus einer getakteten Gleichspannung im Regelgerät erzeugt. Folgt der Rotor dem Statorfeld synchron, spricht man von einem Synchronmotor. Unterschiedliche Umlauffrequenzen kennzeichnen einen Asynchronmotor. Die Rotoren beider Motoren unterscheiden sich grundlegend. Asynchronmotoren besitzen einen Kurzschlussläufer, in dem das Magnetfeld durch Induktion erzeugt wird. Der Rotor des Synchronmotors besteht bei Servomotoren aus einem Blechpaket mit Permanentmagneten. Damit Asynchronmotoren auch bei niedrigen Drehzahlen oder Stillstand das volle Drehmoment abgeben können, sind diese immer fremdbelüftet oder haben eine Flüssigkeitskühlung (Bild 2). Für den Drehmoment-Drehzahlverlauf eines Asynchron-Servomotors ist der große Drehzahlstellbereich typisch, bei dem das Drehmoment ab der Bemessungsdrehzahl fällt.Der Grunddrehzahlbereich umfasst den Bereich bis zur Nenndrehzahl des Motors. Erreicht der Regler seine maximale Ausgangsspannung, kann durch Erhöhen der Frequenz die Motordrehzahl n weiter erhöht werden. Diesen Bereich bezeichnet man als Feldschwächbereich. Er ist gekennzeichnet durch die Abnahme des Drehmoments im Verhältnis 1/n und konstante Leistung. Wird die Ausgangsfrequenz des Reglers weiter erhöht erreicht man die sogenannte Kippgrenze, ab der das Drehmoment proportional 1/n² ist (Bild 3). Der permanenterregte Synchron-Motor erfüllt die Anforderungen an Servomotoren optimal und hat den Asynchron-Servo in vielen Bereichen verdrängt. Im Vergleich zum Asynchronmotor zeichnet er sich durch eine höhere Drehmomentdichte, Überlastfähigkeit und einen besseren Wirkungsgrad aus. Auch das Beschleunigungsvermögen ist u.a. aufgrund des kleineren Bohrungsdurchmessers höher, denn das Rotorträgheitsmoment steigt mit der vierten Potenz des Bohrungsdurchmessers (Bild 4). Voraussetzung für den Betrieb eines Synchronmotors ist die Kenntnis der Rotorlage. Diese wird in der Regel durch einen Motorgeber erfasst. Entsprechend der Rotorlage prägt der Antriebsregler die Ströme in die Wicklungen ein. Das Statordrehfeld übt eine magnetische Kraft auf den Rotor aus und dieser dreht sich mit gleicher Umlauffrequenz.Die dynamische Grenzkennlinie, auch Spannungsgrenze genannt, ergibt sich durch die Höhe der Zwischenkreisspannung und der motorspezifischen Daten wie Induktivität, Widerstand und Drehmomentkonstante. Aufgrund der durch die Magnete induzierten Gegenspannung (EMK) sinkt das maximale Drehmoment des Motors: Der Regler kann nicht mehr den für das maximal Drehmoment erforderlichen Strom einprägen. Der Abfall der thermische Grenzkennlinie geht hauptsächlich auf Wirbelstrom sowie Ummagnetisierungs- und Eisenverluste zurück (Bild 5). Gegenüber Asynchron-Servomotoren haben Synchron-Servomotoren den Nachteil eines begrenzten Drehzahlstellbereichs. Um diesen auszugleichen, lässt sich auch hier der Feldschwächbetrieb nutzen. Dazu wird eine entgegenmagnetisierende Stromkomponente in den Stator eingeprägt, die den Magnetfluss der Permanentmagnete schwächt und die EMK verringert. Auf diese Weise lässt sich der dynamische Drehzahlstellbereich erweitern. Bei gleichem Drehmoment erhöht sich dadurch aber auch die Stromaufnahme und Verlustleistung des Motors. Für den Fall eines Netzausfalls gilt es deshalb, im Regelgerät Vorkehrungen gegen eine hohe Induktionsspannung zu treffen. Für Anwendungen mit einem relativ großen Fremdträgheitsmoment, geringen Anforderungen an die Dynamik, aber großen Drehzahlstellbereich sind Asynchron-Motoren besser geeignet. Der Synchron-Servomotor ist dagegen für Applikationen die richtige Wahl, bei denen ein großes Dauerdrehmoment, hohe Überlastfähigkeit und niedrige Rotorträgheit bei minimalen Abmessungen erforderlich sind. Asynchron- und Synchron-Servomotoren als rotative Direktantriebe Die beschriebenen Funktionsprinzipien von Asynchron- und Synchron-Servomotoren lassen sich gleichermaßen als rotative Direktantriebe einsetzen. Das bedeutet, dass mechanische, verschleißbehaftete Übertragungselemente wie Getriebe, Riemen und Ritzel entfallen und die Motoren direkt mit der Arbeitsmaschine gekoppelt werden. In Werkzeugmaschinen sind diese Konzepte bereits seit Langem im Einsatz. Die höhere Verfügbarkeit, Steifigkeit und Dynamik der Direktantriebe führt zu deutlichen Produktivitätssteigerungen der Maschinen. Rexroth bietet ein breites Portfolio an High-Speed-Motoren zum Antrieb von Hauptspindeln in Werkzeugmaschinen in Asynchron- und Synchrontechnik. Hinzu kommen langsam laufende High-Torque-Synchron-Motoren mit hohen Drehmomenten für den Einsatz in Rundtischen oder Druckmaschinen (Bild 6). Linearmotoren für höchste Genauigkeit und Dynamik Linearmotoren kommen häufig dann zum Einsatz, wenn in der Arbeitsmaschine lineare Bewegungen mit höchster Genauigkeit und Dynamik benötigt werden. Synchrone Linearmotoren entsprechen in ihrer Funktionsweise grundsätzlich den rotativen Synchron-Servomotoren. Das Primärteil ist mit dem Stator vergleichbar und enthält die dreiphasige Wicklung. Das Sekundärteil entspricht dem Rotor und besteht aus einem Stahl-Trägermaterial und den Permanentmagneten. Im Betrieb kann entweder das Primärteil oder das Sekundärteil bewegt werden. Analog zu den Grenzkennlinien der rotativen Servomotoren wird bei den Linearmotoren eine Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie angegeben (Bild 7). Den Verlauf der dynamischen Grenzkennlinie bestimmt die Höhe der Zwischenkreisspannung und der Motorauslegung (Induktivität, Widerstand und Kraftkonstante). Die Maximalkraft ist bis zur Spannungsgrenze verfügbar. Mit steigender Geschwindigkeit wird die Zwischenkreisspannung durch die EMK reduziert, wodurch die Maximalkraft sinkt. Die Motornennkraft ist bis zur Nenngeschwindigkeit konstant. Da die entstehende Verlustleistung vom Primärteil abgeführt werden muss, ist die Kühlung des Linearmotors entscheidend für dessen Kraftdichte. Bei Linearmotoren kommt je nach Anwendung die Konvektions- oder die Flüssigkeitskühlung zum Einsatz. Bei Konvektion sind die Größe der Kühlfläche und die Ankopplung an die Maschinenkonstruktion entscheidend. Die Flüssigkeitskühlung hingegen ermöglicht es sogar, den Motor thermisch von der Maschinenkonstruktion zu entkoppeln. Dies ist beim Einsatz in Präzisionswerkzeugmaschinen unerlässlich, in Handhabungssystemen jedoch von untergeordneter Bedeutung. Man unterscheidet nach dem Aufbau des Primärteils zwischen eisenbehafteten und eisenlosen Linearmotoren (Bild 8). Eisenbehaftete Linearmotoren bündeln den magnetischen Fluss durch Anordnung der Primärteil-Wicklung in den Nuten eines Blechpakets. Dadurch lassen sich sehr hohe Kraftdichten erzielen. Bei dieser Bauart treten allerdings sehr hohe magnetische Anziehungskräfte zwischen Primär- und Sekundärteil auf. Diese können bis zum Fünffachen der Motornennkraft betragen und sind von einem entsprechend dimensionierten Führungssystem aufzunehmen. Diese Linearmotoren kommen aufgrund der hohen Kraftdichte z.B. in Hauptachsen von Werkzeugmaschinen zum Einsatz. Eisenlose Linearmotoren besitzen im Primärteil kein Blechpaket. Die dreiphasige Kupferwicklung ist lediglich in Kunststoff vergossen. Der Primärteilträger besteht aus Aluminium und dient zur Montage des Primärteils und zur Wärmeabfuhr. Um magnetische Streufelder zu vermindern, sind die Magnete in einem u-förmigen Eisenjoch gegenüberliegend angeordnet und umfassen das Primärteil. Durch diesen Aufbau treten zwischen Primär- und Sekundärteil keine Anziehungskräfte auf, was die Verwendung kompakter, kostengünstiger Führungsschienen ermöglicht. Rastkräfte aufgrund einer Nutung entfallen ebenfalls. Diese Aspekte und die relativ kleine bewegte Masse der Primärteile erlauben eine sehr hohe Dynamik bei gleichzeitig höchster Präzision. Typische Anwendungen sind Applikationen, bei denen es kleine Massen mit maximal möglichen Taktraten sehr genau zu bewegen gilt. Dazu zählen beispielsweise Messmaschinen oder Pick-and-Place-Einheiten. Zusammenfassung Die Auswahl der Motortechnologie sowie die Art und Weise der Ankopplung des Motors an die Arbeitsmaschine sind entscheidend für ein optimales Antriebssystem. Für Anwendungen mit geringen Anforderungen an Dynamik und hohen Lastträgheiten sind kostengünstige Asynchron-Servomotoren gut geeignet. Bei gleichem Dauerdrehmoment baut der Synchron-Servomotor kompakter und hat ein kleineres Rotorträgheitsmoment. Damit punktet er bei Applikationen bei denen es auf Dynamik, hohen Wirkungsgrad und minimale Abmessungen ankommt. Mit Direktantrieben kann die Antriebsperformance weiter gesteigert werden. Es entfallen mechanische verschleißbehaftete Übertragungselemente wie z.B. Riemen oder Getriebe. Der Antrieb gewinnt an Steifigkeit, Genauigkeit und Verfügbarkeit.
Bosch Rexroth
