sorapol, Shutterstock.com 2. Informationsveranstaltung „Volle Kraft. Halbe Kosten.“ Maschinenoptimierung durch den Einsatz hochdynamischer Direktantriebe Marcel Möller, Baumüller Nürnberg GmbH © Arqum 2015 10. Juni 2015 Innovative Ansätze zu elektrischen Antrieben Maschinenoptimierung durch den Einsatz hochdynamischer Direktantriebe be in motion be in motion be in motion Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 1 be in motion Baumüller Gruppe Hauptsitz: D-90482 Nürnberg, Ostendstraße 80-90 Standorte: Über 40 Standorte weltweit Mitarbeiter: 1700 Produktion: Nürnberg, Kitzingen, Rossau, Bad Gandersheim, Brno, Konice, Wu Jiang Systempartner für Automatisierungslösungen für den Maschinenbau Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 2 Automatisierungslösungen Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 3 Agenda I. Direktantriebe Einführung und Vorteile II. Rotative Direktantriebe - Langsamläufer Aufbau und Applikationsbeispiele III. Rotative Direktantriebe - Schnellläufer Aufbau und Applikationsbeispiel IV. Lineardirektantriebe Aufbau und Applikationsbeispiel V. Marcel Möller Zusammenfassung und Ausblick 10.06. 2015 www.baumueller.com 4 Einführung Was ist ein Direktantrieb: Elektrische Maschine und Arbeitsmaschine sind direkt (starr) miteinander verbunden; die Drehzahl (Geschwindigkeit) der elektrischen Maschine ist identisch mit jener der Arbeitsmaschine. n =n M Rotatorischer A Elektrische Maschine Arbeitsmaschine Energiewandler: Arbeitsmaschine Translatorischer v =v Energiewandler: M Elektrische Maschine Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 5 A Vorteile Durch Substitution mechanischer Übertragungselemente ergeben sich folgende Vorteile: Spielfreier Antrieb höhere Positionier- und Wiederholgenauigkeit hohe Regelsteifigkeit hohe Produktqualität Hohe Systemdynamik hohe mechanische Steifigkeit erhöhte Produktivität Geringere Service- und Wartungskosten Bauteilreduzierung höherer Systemwirkungsgrad niedrigere Lebenszykluskosten Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 6 Vorteil - Systemwirkungsgrad Drehstrom – Synchronservomotor: p = 5 [PN = 2kW; MN = 6,3Nm; nN = 3000 1/min] Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 7 Vorteil - Systemwirkungsgrad der Motorwirkungsgrad ist eine Funktion von Drehmoment und Drehzahl die Betrachtung im Nennpunkt ist insb. bei zyklischen Bewegungsprofilen unzureichend Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 8 Vorteil - Systemwirkungsgrad Drehstrom - Synchron - Torquemotor: p = 25 [PN = 121 kW; MN = 5800Nm; nN = 200 1/min] 100% Nenndrehmoment 75% Nenndrehmoment 50% Nenndrehmoment 25% Nenndrehmoment bei langsam laufenden Direktantrieben steigt der Motorwirkungsgrad im Teillastbereich (konstante Drehzahl) aufgrund der dominierenden Kupferverluste an Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 9 Agenda I. Direktantriebe Einführung und Vorteile II. Rotative Direktantriebe - Langsamläufer Aufbau und Applikationsbeispiele III. Rotative Direktantriebe - Schnellläufer Aufbau und Applikationsbeispiel IV. Lineardirektantriebe Aufbau und Applikationsbeispiel V. Marcel Möller Zusammenfassung und Ausblick 10.06. 2015 www.baumueller.com 10 Aufbau Ziel: Moment Drehzahl Werkzeug: • M ~ A x Bδ x d² x lFe •M~p •f~pxn • PvFe ~ f² x B² Motorkonzept: • hochpoliger und permanent erregter Synchronmotor • optionale Flüssigkeitskühlung • geringer Schlankheitsgrad (λ = Länge/Durchmesser) Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 11 Aufbau eines Synchron - Torque-Motors Magnetläufer Schema eines TorqueMotors mit Polspulen Polspulen Rotor Stator mit Polspulen Magnete Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 12 Aufbau Mechanische Ausführungen: Vollwelle integriertes Drucklager Hohlwelle Bausatz • Standardausführung • Mediendurchführung • Aufnahme von Axialkräften • Integrationsgrad Typische Eigenschaften: flüssigkeitsgekühlt mit Schutzart IP54 Achshöhen: 135 bis 650mm Nenndrehmomente bis ca. 50.000Nm; Überlastfaktor ca. 1,5 bis 2 Nenndrehzahlen ca. 100 bis 1500 1/min Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 13 Applikationsbeispiel - Extruder Substitution der Motor – Getriebekombination durch Direktantriebstechnik Beispielrechnung: Steigerung des Systemwirkungsgrads um 10% Wellenleistung: 100 kW Jahreseinsatzstunden: 7200 h/a Energiekosten: 0,08 €/kWh Einsparung: ca. 6.600 €/Jahr Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 14 Applikationsbeispiel - Extruder Energy Consumption vs. Extruder Speed (Consumed Power Comparison vs. AC Geared/Belted Drive) 70 % kW Consumption of AC Geared/Belted Drive & Motor 60 50 40 DC Polypropylen DC Geared/Belted: Drive & Motor 30 DC Polyethylen-HD 20 AC 10 DD Polypropylen AC Geared/Belted: Drive & Motor Baseline 0 DD Polyethylen-HD -10 -20 Direct Drive: Drive & Motor -30 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Extruder speed (RPM) Quelle: Davis-Standard, Direct Drive Extruders, 2009 Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 15 Applikationsbeispiel - Extruder Sound Levels vs. Screw Speed (Sound Level (dB) vs. RPM) 90 85 Sound Level (dB) DC Geared/Belted: Drive & Motor DC Polypropylen 80 DC Polyethylen-HD 75 AC Polypropylen AC Geared/Belted: Drive & Motor AC Polyethylen-HD 70 DD Polypropylen 65 DD Polyethylen-HD Direct Drive: Drive & Motor 60 55 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Extruder speed (RPM) Quelle: Davis-Standard, Direct Drive Extruders, 2009 Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 16 Applikationsbeispiel – Spritzgießmaschine Reduzierung der Energiekosten durch Umstellung der vollhydraulischen auf hybride oder vollelektrische Maschinen mit Direktantriebstechnik Beispielrechnung: Energieeinsparung um 20 % Schussleistung: 400 kg/h Jahreseinsatzstunden: 7200 h/a Energieverbrauch: 1 kWh/kg Energiekosten: 0,08 €/kWh Einsparung: 46.000 €/a Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 17 Applikationsbeispiel – Spritzgießmaschine Reduzierung der Zykluszeiten durch Umstellung der vollhydraulischen auf hybride oder vollelektrische Maschinen mit Direktantriebstechnik: Beginn der Entriegelung des Werkzeugs nach Abschluss des Kühlvorgangs Verkürzung der Zykluszeit um ca. 30% Steigerung der Produktivität Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 18 Agenda I. Direktantriebe Einführung und Vorteile II. Rotative Direktantriebe - Langsamläufer Aufbau und Applikationsbeispiele III. Rotative Direktantriebe - Schnellläufer Aufbau und Applikationsbeispiel IV. Lineardirektantriebe Aufbau und Applikationsbeispiel V. Marcel Möller Zusammenfassung und Ausblick 10.06. 2015 www.baumueller.com 19 Aufbau Ziel: Drehzahl Moment Werkzeug: Motorkonzept: • M ~ A x Bδ x d² x lFe • α ~ 1/J • J ~ d² •f~pxn • PvFe ~ f² x B² • niederpoliger Asynchron- oder Synchronmotor • hoher Schlankheitsgrad (λ = Länge/Durchmesser) Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 20 Applikationsbeispiel Verzahnungszentrum Motortechnik: 6 polige permanent erregte Synchronmotoren flüssigkeitsgekühlt Bausatzlösung (Rotor ist GFK bandagiert) Drehzahlen bis 14.000 1/min Vorteile gegenüber Asynchronmotoren: höhere Temperaturstabilität bessere Regelbarkeit höhere Dynamik Motive für die weitere Drehzahlerhöhung: Quelle: KAPP und NILES höhere Schnittgeschwindigkeit Einsatz kleinerer Werkzeuge Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 21 Agenda I. Direktantriebe Einführung und Vorteile II. Rotative Direktantriebe - Langsamläufer Aufbau und Applikationsbeispiele III. Rotative Direktantriebe - Schnellläufer Aufbau und Applikationsbeispiel IV. Lineardirektantriebe Aufbau und Applikationsbeispiel V. Marcel Möller Zusammenfassung und Ausblick 10.06. 2015 www.baumueller.com 22 Aufbau Ziel: Kompaktheit “Cogging” Werkzeug: Motorkonzept: • F ~ A x Bδ x bFe x lFe • a ~ 1/m •F~p •f~pxv • PvFe ~ f² x B² • relativ hohe Polzahl, Asynchron- oder Synchronmotor • optionale Flüssigkeitskühlung Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 23 Applikationsbeispiel Leiterplattenbohrmaschine Motortechnik: permanent erregte Synchronmotoren Selbstkühlung Bausatzlösung Polteilung 36mm Kundennutzen der Lineardirektantriebe: variable X/Y Bewegung hohe Dynamik Quelle: Fa. Schmoll hohe Wiederholgenauigkeit parametrierbares Bewegungsprofil Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 24 Agenda I. Direktantriebe Einführung und Vorteile II. Rotative Direktantriebe - Langsamläufer Aufbau und Applikationsbeispiele III. Rotative Direktantriebe - Schnellläufer Aufbau und Applikationsbeispiel IV. Lineardirektantriebe Aufbau und Applikationsbeispiel V. Marcel Möller Zusammenfassung und Ausblick 10.06. 2015 www.baumueller.com 25 Vergleich Motortechnologien DC-Motor Synchronmotor (ohne SRM) Asynchronmotor elektrisch erregt permanent erregt elektrisch erregt permanent erregt Drehzahlbereich @ konstanter Leistung ++ - ++ -…++ ++ Drehmomentdichte -…o -…o + +…+++ -…o Möglichkeiten effizienter Flüssigkeitskühlung - - - +…++ o Wirkungsgrad - o o +…++ o Leistungsfaktor ++ ++ o…++ o…++ o Begrenzung der Überspannung + -- + --…+ ++ ++ -- ++ --…+ ++ Begrenzung Kurzschlussstrom und Kurzschlussdrehmoment Sehr gut Marcel Möller 10.06. 2015 (ohne Erregung) Gut www.baumueller.com (ohne Erregung) Neutral Schlecht Sehr schlecht 26 Zusammenfassung und Ausblick Direktantriebe bieten Vorteile hinsichtlich Positionier- und Wiederholgenauigkeit, Lebenszykluskosten sowie Systemdynamik Langsam- und Schnelllaufende Direktantriebe unterscheiden sich sowohl im elektrischen als auch mechanischen Motorkonzept Energieeffizienzbetrachtungen des Motors sind unter Berücksichtigung des Wirkungsgradkennlinienfelds durchzuführen Direktantriebe werden aufgrund der fortschreitenden Marktdurchdringung sowie der ständigen Weiterentwicklung von Werkstoffen und Maschinenkonzepten weiter an Bedeutung gewinnen in Abhängigkeit der Applikationsanforderungen und bestehenden Wachstumsgesetzen von Motordrehmoment und Bauvolumen ist der Einsatz gegenüber Motor- Getriebekombinationen abzuwägen Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 27 Fragen? Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Marcel Möller 10.06. 2015 www.baumueller.com 29
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