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Vom Motor bis zur Steuerung Steckverbinder für die Antriebstechnik

| Autor / Redakteur: Eckhart Linneweh / Reinhard Kluger

Steckverbinder gibt es in den unterschiedlichsten Ausprägungen, nicht nur in der Antriebstechnik. So sind hier Signal- und Leistungssteckverbinder für den Motor im Feld auf der einen Seite sowie Signal- und Leistungssteckverbinder für den Anschluss des Frequenzumrichters im Schaltschrank auf der anderen Seite erforderlich. Phoenix Contact und das Tochterunternehmen Coninvers stellen für diesen Anwendungsbereich ein durchgängiges Produktprogramm zur Verfügung – von schweren Industriesteckverbindern Duplicon über Hochleistungs-Rundsteckverbinder ConPower bis hin zu Leiterplattenanschlussklemmen Combicon.

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Steckverbinder für Antriebe gibt es in den unterschiedlichsten Ausprägungen
Steckverbinder für Antriebe gibt es in den unterschiedlichsten Ausprägungen
( Archiv: Vogel Business Media )

Sie müssen in industriellen Anlagen und Maschinen mechanisch stark belastbar sein: Elektrische Antriebe. Weil man sie effektiv Warten will, sind die elektrischen Verbindungen steckbar ausgeführt. Der Synchronantrieb erfüllt die Anforderungen an die mechanische Robustheit sowie an dynamische Betriebseigenschaften – wie beispielsweise Hochlauf im Millisekundenbereich oder ein quasi lastunabhängiges Drehmoment, wie man es sonst nur beim Gleichstromantrieb findet. Diese Eigenschaften des Synchronantriebs lassen sich erst durch den Einsatz einer Elektronik erreichen, sie sind somit strikt an die Existenz eines Frequenzumrichters gebunden – Synchronantrieb und Frequenzumrichter bilden eine funktionelle Einheit. Räumlich sind beide Komponenten voneinander getrennt und über geschirmte Kabel verbunden. Ferner ist der Drehgeber, der Informationen für die Lage- und Drehzahlregelung sowie zur elektronischen Kommutierung liefert, fester Bestandteil des Synchronmotors. Die Verarbeitung dieser Informationen erfolgt in der Regeleineinrichtung, die sich räumlich wiederum beim Umrichter befindet.

In dieser Konstellation bedeutet Steckbarkeit: Für ganz verschiedene Schnittstellen gilt es, geeignete Steckverbinder zu finden. Phoenix Contact und das Tochterunternehmen Coninvers bieten zu diesem Zweck ein umfangreiches Portfolio der Verbindungstechnik an, das eine durchgängige Lösung ermöglicht. Dazu gehören sowohl Signal- und Leistungssteckverbinder für den Motor als auch entsprechende Signal- und Leistungssteckverbinder für den Anschluss des Frequenzumrichters.

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Anforderungen an die Verbindungstechnik

Die Wahl der Verbindungstechnik – etwa beim Betrieb eines Synchronantriebs – wird bestimmt durch anwendungsspezifische Anforderungen und Einsatzbedingungen, die Leistungsklasse des Antriebs sowie die Konstellation des Antriebskonzepts. Letzteres unterteilt sich bei klassischer Ausprägung in den Motor mit Positions- und Drehgeber auf der Maschine einerseits sowie der Steuereinheit im Schaltschrank andererseits. Die Einsatzbedingungen im Schaltschrank und am Motor unterscheiden sich deutlich. Der Steckverbinder auf dem Motor ist hohen Temperaturen, Temperaturwechseln sowie einer starken Rüttelbelastung ausgesetzt. Der Steckverbinder im Schaltschrank befindet sich diesbezüglich in einer wesentlich „ruhigeren” Umgebung. Für beide gemeinsam gilt, dass eine hohe elektrische Leistung übertragen werden muss. Insbesondere auf den Leiterplatten des Frequenzumrichters ist das eine technische Herausforderung. Auf der Motorseite werden historisch bedingt vorwiegend Rundsteckverbinder mit M23- oder M40-Schraubverriegelungen eingesetzt. Auch technisch ist dies gut begründet, bieten sie doch kleine Bauformgrößen sowie gute Schirmeigenschaften – allerdings sind sie nicht genormt. Daher besteht eine der Herausforderungen in der Sicherstellung der Rückwärtskompatibilität zu Vorgängerversionen. Zu diesen allgemein gültigen, kommen Anwendungs-spezifische Anforderungen. Größe und Dynamik des Motors bestimmen den nominalen Betriebsstrom, Gehäusebauform, Gewinde-Verriegelungsart sowie die elektrischen Übertragungseigenschaften des Steckverbinders. Den größten Einfluss auf die Bauformgröße hat der zu übertragende elektrische Strom.

Leistungsübertragung an Motor und Platine

Vermehrt gefragt sind kleinere Steckverbinder, denn Motorenhersteller ergänzen ihre steckbare Motorenpalette nach unten zu kleineren Leistungen mit Motorschildbreiten kleiner als 55 mm. M23-Flansche mit Flanschmaßen von 26 mm x 26 mm sind dann kaum noch verwendbar. Vielmehr kommen neue, kleinere Steckverbinder mit M17- oder gar M12-Schraubgewinde zum Einsatz. Diese sind für Ströme bis 12 A beziehungsweise 20 A geeignet, bei im Übrigen vergleichbaren Polbildern und Spannungen.

Auf der Steuerseite besteht die Herausforderung in einem ergonomischen Anschluss der Leistungselektronik für den Hochstrombereich. Mit den Steckverbindern und Printklemmen Combicon power lassen sich die hohen Ströme direkt von der Leiterplatte „abholen“. Die Printklemme MKDSP 25 überträgt Ströme bis 125 A, wobei Leiter mit Querschnitten bis zu 35 mm² per Schraubanschluss angebunden werden. Da insbesondere bei höheren Polzahlen sowie größeren Querschnitten die Leiterzugkräfte nicht vernachlässigt werden sollten, gibt es die MKDSP 25 ebenfalls mit Befestigungsflansch. Dieser sorgt für eine zusätzliche Verbindung auf die Leiterplatte und entlastet somit die Lötstellen.

Für Applikationen, bei denen vor allem eine kurze Installationszeit von Bedeutung ist, sind Steckverbinder Combicon power mit Federkraftanschluss empfehlenswert. An den SPC 16 lassen sich Leiter mit Querschnitten bis 16 mm² mit geringem Kraftaufwand im Direktsteckverfahren anschließen. Diese Steckverbinder übertragen Ströme bis 76 A und verfügen über die uneingeschränkte 600 V UL-Zulassung in der Usegroup C.

Von Signalgrößen ...

Für die Signalübertragung sind M12-Steckverbinder empfehlenswert. Sie sind alleine schon aufgrund ihrer Größe für den Einsatz auf den kleineren Drehgebern von Vorteil. Zudem stehen M12-Steckverbinder in hochpoliger Ausführung zur Verfügung. Kabelsteckverbinder gestatten darüber hinaus das Auflegen eines Kabelschirms. Funktionell sind sie somit ein vollständiger Ersatz für die M23-Signalsteckverbinder. Hinzu kommt: M12-Steckverbinder sind genormt, ein aus Kompatibilitätsgründen häufig entscheidender Vorteil. M12-Steckverbinder sind ferner auch als Datensteckverbinder in Feldbus-Netzwerken, zum Beispiel Industrial Ethernet, Profibus oder Device Net, geeignet. Dies gestattet dem Anwender, sein Automatisierungssystem durchgängig mit nur einer Steckerart auszustatten.

... und Schirmung

Die Notwendigkeit einer wirkungsvollen Schirmung gewinnt zunehmend an Bedeutung. Datenkabel in unmittelbarer Nähe zu Leistungskabeln oder sogar integriert in Leistungskabeln müssen geschirmt sein. Bei Pulsweiten-moduliert betriebenen Servomotoren verschärft sich diese Problematik noch, weil zwar die Ströme auf den Leitungen sinusförmig, die Spannungen aber geschaltet sind. Daraus resultiert ein großes Frequenzspektrum bei gleichzeitig hoher spektraler Leistungsdichte, was ein Übersprechen verursacht. Steckverbinder müssen also in der Lage sein, Mehrfachschirme aufzunehmen. Die Schirmwirkung nach außen entspricht mindestens jener des Kabels. Da die Steckverbinder meistens ein Metallgehäuse haben, verfügen sie über eine gute Schirmung. Die Montage des Schirms ist allerdings - insbesondere bei Mehrfachschirmen - unter Umständen zeitaufwändig und damit kostenintensiv. Effektive Methoden der Schirmauflage, beispielsweise durch Vermeiden des Schirm-Aufspleißens, sind daher von mehrfachem Nutzen. Bei den Leiterplattenanschluss-Steckverbindern sorgt ein angebundenes Metall für eine großflächige Auflage der Schirmungsleitung.

Der Markt der Servoantriebe nimmt innerhalb des großen Markts der elektrischen Antriebe eine Sonderstellung ein. Daher gibt es vergleichsweise wenig optimal geeignete Steckverbinder und noch weniger durchgängige Lösungen. Hinzu kommen einige technologische Herausforderungen, insbesondere aufgrund der hohen zu übertragenden Leistungen. Die Produktfamilien der Leiterplattenanschlüsse Combicon power sowie der Rundsteckverbinder ConPower von Phoenix Contact und des Tochterunternehmens Coninvers stellen eine solche durchgängige Verbindungslösung für die Antriebstechnik dar.

Phoenix Contact, Tel. +49(0)5235 341845

Dipl.-Ing. Eckhart Linneweh, Product Marketing Manager, Coninvers GmbH, Herrenberg

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