Elektroantrieb Kompakter High-Speed-Antrieb je nach Anforderung

Elektroantriebe werden immer leistungsstärker, kompakter und leichter. Daher hat GMN nun High-Speed-Elektroantriebe entwickelt, von Komplettmotoren über flexible Einbauelemente bis hin zu Sonderlösungen mit 150 kW und 250.000 min^–1.

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Für Joachim Schnüttgen, Technikleiter im Geschäftsbereich „Elektrische Antriebe“ bei GMN, ist die Entwicklung eindeutig. Ihm zufolge werden Elektroantriebe in Zukunft immer leistungsstärker, kompakter und leichter. „Gleichzeitig sollen die Motoren möglichst effizient, leicht zu warten und schnell in bestehende Systeme integrierbar sein.“ Beflügelt werde dieser Trend zudem von Faktoren wie der boomenden E-Mobilität und sinkenden Preisen bei Steuerungssystemen.

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Hohe Leistung bei kompakten Abmessungen

Der Maschinenbauer GMN beschloss daher, seine jahrzehntelange Erfahrung als Spezialist für Hochgeschwindigkeitsspindeln für die Entwicklung von High-Speed-Elektroantrieben zu nutzen. „Unsere Direktantriebe schaffen dank hohen Drehzahlen eine große Leistungsdichte, sie sind zuverlässig und benötigen wenig Wartung. Zu unseren Kernkompetenzen gehört, dass wir hohe Leistungen bei kompakten Abmessungen ermöglichen. Beides kommt sowohl Maschinenspindeln als auch Elektroantrieben zugute.“

Einsatzmöglichkeiten sieht Schnüttgen neben der Elektromobilität bei Prüfständen, für die Motoren benötigt werden, die den Prüfling bis an die Drehzahl- und Leistungsgrenze belasten können. Auch der Maschinenbau mit seinem Bedarf an Achs-, Spindel- und Hilfsantrieben ist eine wichtige Branche. Und in der Verfahrenstechnik sieht der Technikleiter Anwendungen, wenn die Leistung beim Verdichten und Expandieren präzise auf die Prozessbedingungen abgestimmt werden muss. Denkbar sei außerdem, dass die Elektromotoren mit ihrer hohen Umlaufgeschwindigkeit und ihrer Leistungsdichte in vielen Anwendungen Riemenantriebe und hydraulische Antriebe ersetzen.

Vom Standard bis zur Sonderanfertigung

Den Einstieg machten 2015 Entwicklungspartnerschaften mit Unternehmen aus der Automobilindustrie. Heute deckt GMN mit einem dreigeteilten Angebot aus Komplettmotoren der MSP-Basic-Reihe, Motoreinbauelementen der PSM-Reihe und kundenspezifischen Antrieben eine Vielzahl von Anforderungen ab. Das Leistungsspektrum reicht von wenigen Kilowatt bis zu 150 kW, die Drehzahl bewegt sich in einem Bereich bis zu 250.000 min^–1.

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So sieht die Antriebstechnik der Zukunft aus

Die fertig konfigurierten Synchronmotoren der MSP-Basic-Linie bestehen aus zehn vierpoligen Standardmotoren in einer kompakten Bauweise. Sie sind in jeweils drei normierten Bauformen verfügbar – mit Fuß, Flansch oder einer Kombination beider Formen. Die Stecker für die Zuführung von Strom und Fluid sind flexibel positionierbar und können wahlweise links, rechts oder oben am Motor angeschlossen werden. Daher können Kabel und Medienleitungen kurzgehalten werden und müssen nicht um das Gehäuse herumgeführt werden.

Für eine große Leistungsdichte sorgt neben der hohen Drehzahl die effiziente Wasserkühlung. Bei Achshöhen von 80 mm bis 112 mm erreicht die Baureihe Leistungen zwischen 7,5 kW und 45 kW. Die maximalen Drehzahlen liegen dabei je nach Ausführung zwischen 14.000 min^-1 und 18.000 min^-1. „Dank der Wasserkühlung sind die MSP-Basic-Synchronmotoren etwa ein Fünftel so groß wie ein klassischer luftgekühlter Asynchronmotor mit der gleichen Leistung“, erklärt der Technikleiter.

Die Modelle sind sofort lieferbar, direkt einsatzbereit und lassen sich an einer industriell verfügbaren 63 Ampere-Versorgung an einem handelsüblichen Umrichter mit Minimum 8-kHz-Taktung betreiben. Da die Bauform und die Anschlussmaße normiert sind, können sie auch dort nachgerüstet werden, wo bei gleichem Bauraum eine höhere Leistung oder eine höhere Drehzahl benötigt wird.

Individuell anpassbare Einbausets

Ist mehr Flexibilität und Einfluss auf die Motorgestaltung gewünscht, kann der Kunde auf die modular aufgebauten und individuell anpassbaren Einbausets der PSM-Baureihe zurückgreifen. Diese Antriebskits bestehen aus den einzelnen elektromagnetischen Komponenten, einem Einbaustator sowie einem Rotorelement, das in verschiedenen Ausführungen verfügbar ist. Eine Option ist, dass GMN den gesamten Rotor liefert. Dabei wird die Welle im Nürnberger Werk gefertigt und mit Magneten bestückt.

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Alternativ können Kunden auch lediglich ein Rotor-Einbauelement ordern, das gezielt auf die Applikationsbedürfnisse abgestimmt wurde und je nach Montageverfahren mit angepassten Magnetträgern geliefert wird. Das Gehäuse, die mechanische Schnittstelle, die Lagerung und die Kühlung kann der Kunde in jedem Fall frei gestalten. Dadurch lassen sich neben OEM-Antrieben für Werkzeug- und Textilmaschinen auch Sonderanwendungen, beispielsweise für die Prüf- und Prozesstechnik, in relativ kurzer Zeit verwirklichen. Sowohl die Modelle der Baureihe MSP Basic als auch die der PSM-Serie gleicher Leistung sind schnell verfügbar, da das Unternehmen bei ihnen auf Standardkomponenten zurückgreifen kann.

Sonderantriebe mit 150 kW und 250.000 min^–1

Als Entwicklungsdienstleister konstruiert GMN kundenspezifische Antriebe immer dann, wenn die Leistungen und Drehzahlen des Standardprogramms nicht ausreichen. Je nach Anforderung konstruieren die Techniker Synchron- oder Asynchronmotoren nach Maß, die sie mit Hilfe von analytischen Rechenverfahren, Modellen und Simulationen optimieren.

High-End-Komponenten aus dem Spindelbau

GMN greift bei der Fertigung leistungsstarker und hochdrehender Elektromotoren auf bewährte Komponenten aus dem eigenen Hause zurück. Fettgeschmierte Hochgeschwindigkeits-Hybridkugellager helfen Reibung und Verschleiß im Motor zu verringern. Ebenfalls zum Einsatz kommen berührungslose Dichtungen mit Labyrinthgeometrie, die ebenfalls speziell für hohe Drehzahlen konzipiert sind.

SPS 2019: Halle 3A, Stand 200

* F. Stephan Auch, freier Fachjournalist, Nürnberg

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