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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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