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Elektromotor Drehzahlerweiterung bei SERVAX Synchronmotoren mit Permanentmagneten

Autor / Redakteur: Dr. Alberto Colotti / Karl-Ullrich Höltkemeier

Hinsichtlich der Auslegung schnelllaufender Antriebe stellen sich grosse Herausforderungen im wesentlichen an die konstruktive Gestaltung der Rotoren und Lagerungen sowie der durch die hohen Frequenzen entstehenden Zusatzverluste in Stator und Rotor. SERVAX hat die Herausforderungen angenommen und entsprechende Lösungen mit Synchronmotoren entwickelt.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die raschen Entwicklungen in der Halbleitertechnik und Leistungselektronik ermöglichen den Betrieb von Drehstrommaschinen bis zu sehr hohen Drehzahlen. Schnelllaufende Antriebe kommen beispielsweise in Spindeln von Werkzeugmaschinen (Bild 1+2), an Generatoren von Dampfturbinen, in Zentrifugen, Turbomolekularpumpen oder Gasgebläsen zum Einsatz. Auch im Werkzeug- und Formenbau kommen die Vorteile von hohen Schnittgeschwindigkeiten zum Tragen.

Durch eine Drehzahlerhöhung kann die Zerspanleistung gegenüber der konventionellen Fertigung um bis zu 30 % erhöht werden. Es können bis zu fünf bis zehn Mal höhere Vorschubgeschwindigkeiten und bis zu 30fach geringere Schnittkräfte erreicht werden (Quelle 1). Dies ermöglicht die Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke. Auch die Oberflächenqualität wird besser, was teilweise eine nachfolgende Schleifoperation erspart. Aufgrund der sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten wird die beim Zerspanen entstehende Wärme über den Span abgeführt. Dadurch entsteht weniger Verzug im Werkstück.

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Fräsen bei sehr hohen Drehzahlen bzw. Schnittgeschwindigkeiten wird als High Speed Cutting (HSC) bezeichnet. In der Aluminiumbearbeitung spricht man von HSC ab einer Schnittgeschwindigkeit von etwa 2’000 m/min.

Anforderungen bei High Speed Antrieben

Die Anforderungen, die sich bei hohen Drehzahlen an den Antrieb der Frässpindel ergeben, sind vielfältig (Bild 3). Aufgrund der hohen Drehzahlen entstehen grosse Zentrifugalkräfte auf die Magnete, die in vielen Fällen auf die Oberfläche der Welle appliziert sind. Zur Aufnahme dieser Fliehkräfte reicht eine adhäsive Verbindung meist nicht aus. Die Kräfte müssen durch ein auf dem Aussendurchmesser aufgebrachtes Hüllrohr aufgenommen werden. Hierzu sind Materialien mit hoher Festigkeit und möglichst geringer Dichte erforderlich. Es kommen häufig Glas-, Aramid- oder Kohlefasern zum Einsatz.

Erwärmung der elektrischen Maschine

Selbst bei Speisung des Stators mit einem rein sinusförmigen Drehstrom entstehen in der Maschine Oberwellen des Magnetfeldes. Die asynchron zum Rotor drehenden Anteile induzieren in elektrisch leitenden Partien Wirbelströme. Bei Spannungserzeugung mittels PWM (Pulsweitenmodulation) entsteht zusätzlich ein ganzes Spektrum von Spannungsharmonischen. Frequenzen und Amplituden hängen sowohl von der Modulation wie von der Taktfrequenz ab. Liegen Impedanzen vor, welche diese Spannungen nicht genügend abdämpfen, ist eine weitere Quelle von Zusatzverlusten gegeben.

Diese Verluste auf dem Rotor nehmen bei steigender Drehzahl zu und sind problematisch, weil er nur sehr umständlich oder indirekt gekühlt werden kann. Treten erhöhte Temperaturen auf, so wirken sie sich mittels Längenausdehnungen auf die mechanischen Genauigkeiten aus. Im Extremfall wird gar eine Entmagnetisierung der Magnete auftreten. Die genannten Phänomene verursachen auch bei Asynchronmaschinen eine Erhöhung der Verlustleistung auf dem Rotor, die den Betrieb einschränkt.

Die Lösung von SERVAX mit Synchronmotoren

SERVAX hat eine Lösung entwickelt, mit der die Drehzahlen und Leistungen der Synchronantriebe mit Permanentmagneten deutlich gesteigert werden können (Bild 4+5). Gleichzeitig konnte ein neues Verfahren zur Herstellung der Hüllrohre eingeführt werden. Hiermit ist es möglich, Rotoren mit verschiedensten Durchmessern und Längen sehr effizient herzustellen und so flexibel auf die Kunden- und Marktanforderungen einzugehen.

Zur Reduzierung der Rotorverluste tragen verschiedene konstruktive Massnahmen bei, welche ihre Wirksamkeit in Tests unter Beweis gestellt haben. Durch die Abstimmung von Motor, Zuleitung und Speisung können die zulässigen Betriebsdaten von Leistung und Drehzahl bei einer gegebenen maximalen Rotorerwärmung weiter nach oben verschoben werden.

Antriebe nach Mass im Lieferumfang

SERVAX stellt ihre Antriebslösung aus einer Kombination von bewährten und standardisierten Technologie-Modulen zusammen und für den Auslegungsprozess werden modernste Berechnungs-Tools verwendet. Maximale Flexibilität bei minimaler Fertigungszeit ist möglich, da man über eine eigene Stanzerei und modernste Bearbeitungszentren verfügt. Leistungsdaten werden im eigenen Prüffeld im Beisein der Kunden verifiziert.

Dr. Alberto Colotti ist Entwicklungsleiter bei SERVAX Drives

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