Elektromotor Stellschrauben für mehr Schockfestigkeit

Autor / Redakteur: Florian Tafelmayer / Karin Pfeiffer

Elektromotoren haben eine hohe Lebensdauer? Ja, eigentlich. Was aber, wenn die nicht reicht? Oder der Motor trotzdem ausfällt? Schwingungen, Vibrationen oder Schocks können die Lebensdauer stark verkürzen. Die gute Nachricht: Motorschäden lassen sich schon bei der Projektierung vermeiden. Baumüller erklärt, wie.

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In Shreddern sind Motoren besonders hohen Belastungen ausgesetzt. Hier lohnt sich eine Analyse.
In Shreddern sind Motoren besonders hohen Belastungen ausgesetzt. Hier lohnt sich eine Analyse.
(Bild: WEIMA Maschinenbau GmbH)

Eine Daumengröße vorab: Die Lebensdauer von Elektromotoren wird meist mit der Lebensdauer der Lager gleichgesetzt und liegt bei Elektromotoren bei rund 20.000 Betriebsstunden. Doch welche Faktoren beeinflussen die Lebensdauer von Motoren tatsächlich? Die drei wichtigsten sind Temperatur, Lagerströme sowie Vibrationen, Schwingungen und Stöße, auf die Baumüller jeweils mit unterschiedlichen Lösungsansätzen und Antriebssimulationen schon bei der Planung eingehen kann. Aber der Reihe nach:

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Mechanische Belastungen treten in vielen Maschinen und Anlagen prozessbedingt auf. Bekannte Beispiele sind Umformmaschinen wie Pressen und Biegemaschinen, Spritzgießmaschinen und Extruder, Shredder oder mobile Maschinen. In diesen Anwendungen gibt es oft kaum Möglichkeiten, die Schwingungen zu dämpfen, bevor sie am Motor ankommen und dort Schäden anrichten. Hier ist Teamwork gefragt: Eine frühe Zusammenarbeit zwischen Maschinenbauer und Antriebshersteller hilft Ausfälle zu verhindern und die Lebensdauer der Motoren zu steigern.

Gerade wenn es um anspruchsvolle Anwendungen geht, sind Angaben zur G-Zahl, die der Motor aushalten muss, oft nicht ausreichend, um das volle Ausmaß der Belastung bewerten und die Lebensdauer des Motors korrekt einschätzen zu können. Erfahrene Simulationsingenieure beziehen die Art der mechanischen Belastung, die Richtung der Belastung, die Frequenz und die Amplitude in ihre Analyse mit ein. Sie interessiert, wo die Belastung wirkt, am Geber oder am Gehäuse, an der DE- oder NDE-Seite? So können sie unbedenkliche Schwingungen und Schockbelastungen von denen unterscheiden, die zu Schäden führen. Mehr Details zur Bewertung von mechanischen Belastungen gibt’s im Webcast von Baumüller.

Auswirkungen von Vibrationen, Schwingungen und Schockbelastungen

Egal ob Schwingung, Vibration oder Schockbelastung, die Auswirkungen, die sich daraus ergeben, sind schwer vorhersehbar. Verschiedene Problematiken führen zum Ausfall des Motors oder zu Prozessfehlern. Schäden am Lager oder den Wicklungen spielen hier die wichtigste Rolle, es können aber noch andere Probleme auftreten:

  • Lagerschäden: Laufbahnen bekommen Risse, Wälzkörper werden beschädigt
  • Wicklungen: Isolierung wird aufgerieben, Kurzschlüsse entstehen
  • Strukturmechanische Schädigung des Gehäuses und Lagerschildes
  • Schäden an den Schraubverbindungen vom Flansch zur Maschine
  • Geberprobleme: der Geber kann durch den Stoß den Kontakt verlieren, sodass das Signal unterbrochen wird

Diese Probleme verursachen im Schadensfall erhebliche Kosten und womöglich auch einen deutlichen Zeitverlust bei der Markteinführung neuer Maschinen. Besser ist es also, solche Schäden von vornherein zu vermeiden. Hier helfen Antriebssimulationen, die starke Schwingungen und eventuell auftretende Schäden schon in der Projektierungsphase vorhersehen. Baumüller nimmt Antriebssimulationen darum in einem frühen Stadium der Entwicklungsphase vor. Der Antriebsexperte beugt Problemen dann mit konstruktiven Anpassungen oder veränderten Regler-Einstellungen vor. Baumüller greift dafür auf Erfahrungswissen in elektrischer Antriebstechnik und ein variantenreiches Motorenportfolio zurück.

Problemanalyse: Messen, Simulieren, Berechnen

Basis für die Analyse des Problems ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Maschinenbauer und Antriebshersteller. Mit den richtigen Daten können Schwingungen, Vibrationen und Stöße früh als Herausforderung erkannt und deren Auswirkungen simuliert werden. Im Schadensfall führen Spezialisten zur Schadensanalyse und Fehlereingrenzung Messungen am beschädigten Motor und der betroffenen Maschine durch. An neuen Maschinen können Probleme mit der Lebensdauer durch Schwingungen oder Stöße vorhergesagt werden.

In der Simulation und Interpretation der Daten spielt das Antriebs-Know-how eine zentrale Rolle. Simulationsingenieure fragen verschiedene Größen ab:

  • Anzahl der Lastspiele
  • Ort der Belastung am Motor
  • Tritt die Belastung radial oder axial auf?
  • Wie ist die Frequenz?

Auch bei laufenden Maschinen können nicht alle Kräfte gemessen werden. Diese Werte lassen sich nur mit Simulationstechniken ermitteln und in die Analyse mit einbeziehen. Zur Auswertung der Daten kommt die FFT-Analyse (fast Fourier transform) zum Einsatz: Die FFT-Analyse schlüsselt ein Zeitsignal in einzelne Sinuswellen auf und kommt in vielen Bereichen zur Optimierung rotierender Bauteile oder zur Bewertung von Verschleiß zum Einsatz. Das aufgeschlüsselte Zeitsignal kann dann auf dominierende Frequenzen untersucht werden. Nur bestimmte Frequenzen führen zum gefährlichen Aufschwingen des Motors und sind als kritisch zu betrachten, andere können als harmlos eingestuft werden.

Weiter geht es wieder mit Simulation: Als Spezialist in der elektrischen Antriebstechnik kann Baumüller Motoren mit allen relevanten Eigenschaften modellieren. Hier fließen Informationen zu Materialien, Kontakten und Verbindungsarten mit ein. Die von der Analyse ausgeschlossenen Bauteile berücksichtigen die Simulationsingenieure über abgesetzte Massen mit den jeweiligen Massenträgheitswerten. So können konstruktive Anpassungen ermittelt, simuliert und auf ihre Haltbarkeit bei den bestehenden Belastungen geprüft werden – ohne dass ein Prototyp gebaut und getestet werden muss.

Die Lösung sitzt an verschiedenen Stellen

Die Messungen und Simulationen wiederum bieten die Grundlage für die Problemlösung. Baumüller entwickelt mit seinem Erfahrungswissen verschiedene Vorschläge zur Problembehebung erstellen. Ein paar Beispiele:

  • Anpassung in der Regelung: Zyklus verschleifen
  • Dämpfungselemente installieren
  • Motor entkoppeln (z.B. Riemen)
  • Motor robuster konstruieren

Am Motor können einige Stellschrauben gedreht werden, um die Auswirkungen der auftretenden Schwingungen oder Schocks zu vermeiden. Verschiedene Lageroptionen wie Rillenkugellager oder Rollenlager sind Optionen im Standardportfolio. Durch die langjährige Kompetenz als Motorenhersteller sind bei Baumüller auch zahlreiche andere Anpassungen am Motor möglich, z.B. verstärkte Lagerschilder oder gedämpfte Motorfüße.

Branchen, die traditionell hohe mechanische Belastungen auf den Motor verursachen, sind bekannt und bereits mit Lösungen im Baumüller-Portfolio bedacht. So zum Beispiel die High-Torque-Motoren DST2, die mit integriertem Drucklager bestellt werden können. Die Ausführung mit Drucklager hat Baumüller speziell für den Einsatz in der Extrusionstechnik entwickelt: Das integrierte Drucklager nimmt die auf den Motor wirkenden Axialkräfte auf, die über den Gegendruck im Verfahrensteil entstehen. Der Motor ist damit speziell auf diese Belastungen ausgerichtet, und es sind keine Einbußen bei der Lebensdauer zu erwarten.

Problem und Lösung im Überblick

Temperatur: Das Problem: Hohe Temperaturen im Motor schädigen die Schmierstoffe. Diese verlieren ihre Wirksamkeit => das Lager überhitzt;
Lösungswege: Baumüller setzt Hochtemperaturfette ein, die hohe Temperaturen und damit hohe Drehzahlen ermöglichen.

Lagerströme: Das Problem: In Motor-Umrichter-Kombinationen kann es in einigen Fällen zu Lagerströmen kommen. Die Spannung nimmt, anstatt sich über den Umrichter zu erden, über die Welle des Motors und die Lager den Weg des geringsten Widerstands und entlädt sich Richtung Erde. Das führt zu Vibrationen => das Lager überhitzt und verschleißt vorzeitig; Lösungswege: Einsatz von Common Mode Kernen und/ oder stromisolierte Lagern

Vibrationen, Schwingungen, Stöße:Das Problem: Vibrationen, Schwingungen oder Stöße, die auf den Motor wirken, belasten unterschiedliche Teile des Antriebs und können verschiedene Teile des Motors schädigen => die Lebensdauer wird kürzer, die Prozessqualität leidet; Lösungen: Schwingungsmessungen und Antriebssimulationen schaffen Abhilfe. Sind die Belastungen bekannt, können zahlreiche Stellschrauben gedreht werden, die die Schockfestigkeit und Rüttelfestigkeit von Elektromotoren steigern.

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Teamwork: Erfahrungswissen zusammenbringen

Die frühzeitige Zusammenarbeit von Maschinenbauer und Antriebsspezialist empfiehlt sich bei Anwendungen, bei denen mit Problemen durch prozessbedingte Schocks oder Vibrationen zu rechnen ist. Ausfälle können so schon im Vorfeld berechnet und gleich vermieden werden, das spart Zeit und Kosten. Simulationstechniken ermöglichen es, Belastungen so realitätsnah abzubilden, dass daraus Vorschläge zur Verlängerung der Lebensdauer abgeleitet werden können. Die Simulation von Elektromotoren hat sich als Alternative zu physischen Tests etabliert, so werden weitere Ressourcen gespart. Zudem entsteht eine räumliche Unabhängigkeit, die immer öfter gefragt ist, digitale Zusammenarbeit wird vereinfacht. Auch im Schadensfall helfen Simulationen bei der Fehleranalyse. Die Bereiche Schwingungsmessung, Schwingungssimulation und Antriebssimulation sind Teil des Baumüller Dienstleistungsspektrums. (pf)

* Florian Tafelmayer, Baumüller Nürnberg

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