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Dyna­mi­scher Innen­läufer für anspruchs­volle Anwen­dungen

Vom Kunden­wunsch zum effi­zi­enten 750 Watt ECI-Antrieb


Moderne Antriebs­technik setzt auf elek­tro­ni­sche Regel­kreise, um ein Optimum an Leis­tung und Zuver­läs­sig­keit zu errei­chen. Aber auch die beste Steue­rung ist dabei ohne ausfüh­renden Aktuator hilflos. Hier punkten robuste, elek­tro­nisch kommu­tierte Innen­läu­fer­mo­toren (ECI). Als hoch­dynamischer Antrieb erlauben sie schnelle Bewe­gung, ermög­li­chen kurz­zeitig hohe Über­las­tung und arbeiten auch ohne Wartung zuver­lässig über lange Zeit. Ein neuer ECI-Motor mit bis zu 750 W Wellen­leis­tung bei nur 80 mm Durch­messer setzt nun neue Maßstäbe bei Leis­tungs­dichte, Dynamik sowie Einsatz­band­breite und bietet markt­übliche mecha­ni­sche Schnitt­stellen für einen univer­sellen Einsatz.

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Bild 1: Hoch­dy­na­misch und über­last­fähig bei langer wartungs­freier Lebens­dauer, der ECI 80 mit 750 W Abga­be­leis­tung.

Extrem spezia­li­sierte Einzel­ent­wick­lungen erlauben Höchst­leis­tungen, aller­dings zu beacht­li­chen Kosten. Geht man dagegen von Serien-Bauteilen aus, die in größeren Stück­zahlen preis­werter gefer­tigt werden können, bekommt man über ein Baukas­ten­kon­zept modu­lare Viel­falt ohne hohe Kosten bei glei­cher Leis­tungs­fä­hig­keit. Die Antriebe lassen sich aus Einzel­mo­dulen nach Kunden­wunsch maßge­schnei­dert kombi­nieren. Der Antriebs­spe­zia­list ebm-papst hat daher bei seinen Antrieben schon früh­zeitig auf den modu­laren Baukasten gesetzt. Indi­vi­du­elle Baugruppen nach Kunden­an­for­de­rungen zusam­men­ge­fügt, erlauben es, eine breite Antriebs­pa­lette „von der Stange“ bereit­zu­halten. Um auch höhere Leis­tungs­werte abzu­de­cken, ist neben den bestehenden Baureihen ECI 42, ECI 63 der neue ECI 80 Motor zur Antriebs­fa­milie hinzu­ge­kommen (Bild 1). Er erwei­tert den Einsatz­be­reich gerade für Anwen­dungen, die hohe Leis­tung bei hoher Dynamik und geringer Masse verlangen.

Perspek­tiven entwi­ckeln …

Moderne Roboter, Logistik, Ener­gie­ge­win­nung, Medi­zin­technik oder klas­si­sche Bereiche wie die Holz­be­ar­bei­tung sind auf effi­zi­ente, möglichst kompakte und dabei leis­tungs­starke Antriebe ange­wiesen. Antriebe, die noch leis­tungs­stärker als die bishe­rigen Baukas­ten­an­triebe sind und zudem eine kompakte Bauweise aufweisen werden immer stärker nach­ge­fragt. Eine einge­hende Analyse der geäu­ßerten Anwen­der­wün­sche ergab, dass für den Baukasten ein Motor mit 750 Watt Abga­be­leis­tung an der Welle eine ideale Ergän­zung des Port­fo­lios darstellt. Die Entwickler von ebm-papst erar­bei­teten dann auf Basis der Erfah­rung mit den klei­neren Antrieben ein Konzept für einen hoch­dy­na­mi­schen 3-phasigen Innen­läu­fer­motor in EC-Tech­no­logie. Um diese Anfor­de­rungen in die Antriebs­praxis umzu­setzen, waren einige tech­ni­sche Hürden zu meis­tern.

… und umsetzen

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Bild 2: Auch für Roboter sind die kompakten Antriebe mit ihrem ausge­spro­chen guten Leis­tungs­ge­wicht geeignet. (Foto |fotolia.com/Patrick P. Palej)

Haupt­au­gen­merk galt einer möglichst hohen Leis­tungs­dichte, also wenig Masse bei großer Leis­tung und hohem Wirkungs­grad. Dass dabei möglichst geringe Rast­mo­mente und hohe Dynamik teil­weise im Wider­spruch zuein­ander lagen, machte die Entwick­lung nicht einfa­cher. Haus­ei­gene Rechen- und Simu­la­ti­ons­pro­gramme sowie umfang­reiche Tests führten schließ­lich zum opti­malen Ergebnis. Der ECI 80 entspricht heute mit seinen Leis­tungs­werten und der geringen Masse exakt den heutigen und künf­tigen Anfor­de­rungen. Er ist derzeit der leich­teste Motor seiner Klasse auf dem Markt. Ein einheit­li­cher System­aufbau, der die Produk­tion der Motoren auf einer auto­ma­ti­sierten Ferti­gungs­straße mit einem sehr hohen Grad der Prozess­über­wa­chung aller Ferti­gungs­schritte zulässt, sowie die Leis­tungs­cha­rak­te­ristik und System­fä­hig­keit der Antriebe für einen möglichst univer­sellen Einsatz machen das Moto­ren­kon­zept in seiner Klasse einzig­artig.

Der ECI 80 entspricht mit seinen Leis­tungs­werten den heutigen und künf­tigen Anfor­de­rungen.

Präzise Bewe­gungen bei kleinen Dreh­zahlen fast vergleichbar mit einem Schritt­motor sind ebenso möglich wie der schnelle Wechsel zu einem dyna­mi­schen Betrieb. Der Motor ist als drei­phasig perma­nent­ma­gne­ter­regte Synchron­ma­schine in Innen­läu­fer­bau­weise konzi­piert und ausge­legt. Dazu läuft ein acht­po­liger Rotor in einem zwölf­nu­tigen Stator. Die robuste Stator­wick­lung hält die Kupfer­ver­luste niedrig und lässt sich kosten­op­ti­miert herstellen. Durch eine gezielte Opti­mie­rung der Rotor­blech­kon­turen verrin­gert sich das Rast­mo­ment auf ein Minimum. Weitere deut­liche ferti­gungs­tech­ni­sche Vorteile bringt der Verzicht auf jede Art von Schrä­gung in Stator und Rotor. Die stab­för­migen Perma­nent­ma­gnete aus Neodym-Eisen-Bor-Mate­rial sind form­schlüssig im geblechten Rotor­paket einge­bettet.

Leis­tung in Zahlen

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Bild 3: Zuver­läs­sig­keit und EMV-Schutz sind Pflicht in der Medi­zin­technik, z. B. bei einer kraft­vollen OP-Tisch­ver­stel­lung.

Der drei­pha­sige bürs­ten­lose Innen­läu­fer­motor ist mit geräu­sch­op­ti­mierten, robusten Kugel­la­gern für einen wartungs­freien Betrieb ausge­stattet. Die Antriebs­welle darf dabei im Rahmen der Lebens­dau­er­er­war­tung von 20.000 Stunden bei Nenn­dreh­zahl radial und axial bis zu 28 kg belastet werden. Die Motoren bietet ebm-papst in den Span­nungs­aus­füh­rungen 24 und 48 VDC Ausfüh­rung mit 4.000 U/min Nenn­dreh­zahl und bis zu 1800 mNm Nenn­mo­ment an der Motor­welle. Das Anlauf­mo­ment liegt bei bis zu 5.600 mNm. Die Nenn-Strom­auf­nahme bei 750 W Wellen­leis­tung bleibt unter 20 A, der Spit­zen­an­lauf­strom, der kurz­zeitig hoch über­last­baren Antriebe, liegt bei bis zu 100 A. Die Gesamt­masse des leis­tungs­stärksten 136 mm langen Motors mit 80 mm Durch­messer beträgt rund 2,1 kg.

Anpas­sungs­fä­hige Antriebs­lö­sung für viele Anwen­dungs­be­reiche

Die modu­lare Bauweise erlaubt es, die Antriebs­sys­teme, bestehend aus Motor, Elek­tronik, Getriebe, Bremse etc. indi­vi­duell auszu­legen bzw. zu konfi­gu­rieren. Dies ermög­licht eine opti­male Einbin­dung in die unter­schied­lichsten Appli­ka­tionen. Stan­dard­ein­satz­felder für die kraft­vollen ECI 80 Motoren sind die Auto­ma­ti­sie­rungs­technik mit typi­schen Anwen­dungen wie z. B. Verstell­ein­rich­tungen bei Holz­be­ar­bei­tungs­ma­schinen, die Intra­lo­gistik mit fahrer­losen Trans­port­sys­temen oder Shut­tles und Band­an­trieben.

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Bild 4: Mehr Sonnen­en­ergie einfangen über Verstell­ein­rich­tungen wie Tracker für Solar­pa­neele, auch dabei punktet der robuste, wartungs­freie ECI 80 Motor. (Foto | fotolia.com/idrive)

Auch bei der Robotik (Bild 2) kommen die kompakten Antriebe mit ihrem ausge­spro­chen guten Masse-Leis­tungs-Verhältnis zum Einsatz: Die Motoren erlauben durch ihre konstruk­tive Ausle­gung auch den Einsatz in Berei­chen mit beson­deren Anfor­de­rungen wie der Medi­zin­technik, die in puncto Zuver­läs­sig­keit und EMV-Schutz höchste Anfor­de­rungen stellen. Beispiele dafür sind eine kraft­volle OP-Tisch­ver­stel­lung (Bild 3), die jeden Pati­enten in die rich­tige Posi­tion bringt, sowie mobile Pati­en­ten­auf­züge für die indi­vi­du­elle, ergo­no­mi­sche Betreuung am Kranken- oder Pfle­ge­bett. Der sehr gute Wirkungs­grad sorgt dabei trotz der hohen Leis­tung für lange Akku­lauf­zeiten. Selbst die Ener­gie­wende kann durch die neuen ener­gie­ef­fi­zi­enten „Leis­tungs­sportler“ profi­tieren. Verstell­ein­rich­tungen wie Tracker für Solar­pa­neele (Bild 4) erlauben eine stets opti­male Ausrich­tung zur Sonne, zuver­lässig über Jahr­zehnte bei Wind und Wetter.

 

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