Servoaktuator Energieeffizient antreiben durch höchste Wirkungsgrade

Mit den Servoaktuatoren der Baureihe TPM+ zeigt Wittenstein Motion Control, wie sich auch bei höchsten Leistungsanforderungen energieeffiziente Antriebslösungen realisieren lassen. Konstruktive Kniffe tragen ebenso dazu bei, höchste Wirkungsgrade und Leistungsdichte zu erreichen, wie eine optimale Antriebsauslegung, bei der sogar Kosten- und CO₂-Einsparungen berechnet werden können.

Anbieter zum Thema

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Servoaktuatoren sind mechatronische Systemeinheiten aus Motor und Getriebe, die Antriebsaufgaben umso effizienter lösen, je spezifischer sie grundlegenden Anforderungen von Applikationen entsprechen. Die Baureihe TPM+ der Wittenstein Motion Control bietet daher eine anwendungsorientierte Leistungsabstufung. Sie reicht vom superflinken TPM+ Dynamic über den drehmomentstarken TPM+ Power bis zum hochgradig verdrehsteifen TPM+ High Torque. Alle Servoaktuatoren erfüllen zum einen zentrale technische Anwenderwünsche, z. B. ein zeitoptimales Positionierverhalten, hohe Leistungsdichte durch Reduzierung von Gewicht und Abmessungen ohne Performanceverluste sowie eine einfache Gestaltung mechanischer und elektrischer Schnittstellen. Neben diesen Aspekten ist die Einsparung von Energie, d. h. eine möglichst hohe Energieeffizienz, das Top-Thema bei der Entwicklung von Servoaktuatoren und der Gestaltung von zukunftssicheren Antriebslösungen.

Energieeffizienz ist in den nächsten Jahren und Jahrzehnten eines der Innovationspotenziale in der elektrischen Antriebstechnik, denn am Energieverbrauch der Industrie tragen Motoren und Antriebe den Löwenanteil: 66 % des Gesamtverbrauchs – über 151 TWh in Deutschland bzw. mehr als 656 TWh für Europa. Auf 22 TWh – etwa 15 % – beziffert der ZVEI in entsprechenden Untersuchungen allein für Deutschland das Potenzial zur Verbrauchsreduzierung in der Antriebstechnik. Der Industrie würde dies mehr als 2,5 Mrd. € Energiekosten einsparen, auf die Umwelt kämen 12,5 Mio. Tonnen CO₂ weniger herab und 5½ Millionen Haushalte könnten mit der eingesparten Energie versorgt bzw. Kraftwerke mit entsprechender Leistung vom Netz genommen werden. Die Einsparpotenziale betreffen alle antriebstechnischen Komponenten und Auslegungen: Frequenzumrichter, Bewegungsprofile, Getriebe, Mechanik und Motoren. Untersuchungen zeigen, dass allein die Energiesparmöglichkeiten im mechanischen Teil des Antriebsstranges bis zu 30 % betragen.

Konstruktive Maßnahmen optimieren die Kopplungsfaktoren

Hinsichtlich der Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten sind die Verbesserungspotenziale für die Zukunft jedoch relativ gering, da diese bereits einen hohen Reifegrad besitzen. Planetengetriebe haben pro Stufe einen Wirkungsgrad von 97 %. Hier haben Dichtungen, Lagervorspannung und Zahneingriff den größten Anteil an den Verlusten. Bei modernen synchronen Servomotoren liegt der Wirkungsgrad bei ca. 92 %, beeinflusst vor allem durch ohmsche Verluste, Ummagnetisierung und Wirbelströme. Bei den heutigen Leistungsteilen stammen die Verluste hauptsächlich aus den Schalt- und Durchlassvorgängen und liegen bei ca. 5 %. Das größte Einsparpotenzial liegt im Einsatz von kleineren Antrieben mit geringen Trägheitsmomenten. Je geringer der Anteil des Motors zur Beschleunigung seiner Eigenträgheit an der Gesamtleistung ist und umso mehr von der Gesamtleistung in die Applikation gelangt, desto höher ist die Energieeffizienz der gesamten Antriebsstrecke.

Die Produktfamilie TPM+ ist ein Beispiel dafür, wie Wittenstein Motion Control das Thema Energieeffizienz im doppelten Sinn „konstruktiv“ umsetzt. Ein wichtiger Ansatzpunkt ist die Reduzierung der Eigenträgheitsmomente der Antriebe. Weniger Eigenträgheit bedeutet zum einen geringere Gesamt-Massenträgheiten im Antriebsstrang; zum anderen erhöhen sich dadurch der sogenannte Kopplungsfaktor λ (lambda), d. h. das Verhältnis der Fremdträgsheitsmomente zu den Eigenträgheitsmomenten. Der theoretisch maximal mögliche Wirkungsgrad η korreliert – wenn auch nicht linear – mit dem Kopplungsfaktor λ.

Bei herkömmlichen Antriebsauslegungen wird in der Regel ein Kopplungsfaktor zwischen 1 und 3 (Wirkungsgrad , d. h. „Blindleistung“ im Motor zwischen 25 und 50 %) angestrebt, da hier mit geringem Aufwand ein robustes Regelverhalten im Regelsystem erzielt wird. Der Grund hierfür ist jedoch nicht der Kopplungsfaktor, sondern der Einfluss von mechanischen Elastizitäten. Im klassischen Aufbau werden Motor und Getriebe mittels einer Wellenkupplung miteinander verbunden. Diese Art der Verbindung bringt einen zusätzlichen Anteil an Trägheitsmoment sowie eine Reduzierung der mechanischen Steifigkeit mit sich.

Bei der Produktfamilie TPM+ wird diese Verbindungsart bewusst vermieden und das Sonnenrad des Getriebes direkt in die Motorwelle eingepresst. Solche konstruktiven Maßnahmen erlauben Kopplungsfaktoren im Bereich λ >10. Unterstützt wird dies durch die hohe Verdreh- und Kippsteifigkeit und das geringe Verdrehspiel der Wittenstein-Planetengetriebe.

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