Kompakte Motoren mit integriertem Drehgebersystem
Zusammen Mehrwert schaffen
Kübler will im Rahmen von Technologiegesprächen gemeinsam mit seinen Kunden neuartige Lösungen entwickeln. Gemäß diesem Ansatzes ist jetzt eine neue Lösung Marktreif, die in Zusammenarbeit mit Lenze entstanden ist: ein kompakter und zukunftssicherer Asynchronmotor mit einem vollständig integriertem magnetischen Drehgebersystem.
Bild: Fritz Kübler GmbHOptische Anbau-Drehgeber wie die Baureihe Sendix 5020 von Kübler haben sich in der Antriebstechnik in den letzten Jahren weit verbreitet. Sie werden auf die Antriebswelle aufgesetzt und über mechanische Anbindungen wie Statorkupplungen oder Drehmomentstützen an oder unter der Lüfterhaube des Motors befestigt.
Bild: Fritz Kübler GmbH
Um diese Anforderungen flexibel und wirtschaftlich umsetzen zu können, strebte Lenze darüber hinaus die Standardisierung von benötigten Komponenten und Fertigungsschritten an. Auch die funktionale Weiterentwicklung und Digitalisierungs-Features sollten möglich sein, ohne Motor oder Drehgeber komplett redesignen zu müssen. Weil solch eine Geberlösung zum damaligen Zeitpunkt auf dem Markt nicht verfügbar war, hat sich der Antriebshersteller an Kübler gewendet.
Bild: Fritz Kübler GmbHGemeinsame Entwicklung neuer Ideen
Entwickler einer Maschine oder in diesem Fall eines Motors erstellen normalerweise ein Lastenheft. Darin werden u. a. alle Funktionen des Encoders beschrieben. Der Drehgeber-Hersteller kann dann durch seine Erfahrung sagen, welche Funktionen realisierbar sind und welche nicht. Kübler will mit Technologiegesprächen schon früher anknüpfen. Dafür bietet das Unternehmen seinen Kunden die Möglichkeit Ideen zu Encoder-Sensorik, zukünftigen Konzepten und den Anforderungen der Endkunden offen und transparent besprechen. Teilnehmer sind auf beiden Seiten Entwicklungsingenieure sowie Produktmanager. Bei Lenze und Kübler war das Technologiegespräch letztlich der Schlüssel zum Erfolg. Im Technologiegespräch fand eine ganzheitliche Betrachtung statt, um eine Lösung zu entwickeln, die für die gesamte Wertschöpfungskette Mehrwert bietet. Letztlich hat man das gesamte Motorenkonzept bzw. die gesamte Bauteilkette in mehreren Workshops hinterfragt. Durch disruptive Lösungsansätze wie den Wechsel von einer in sich geschlossenen Komponente hin zu einem motorintegrierten System sind Vorteile entstanden, die zunächst nicht absehbar waren und nur durch die richtigen Fragestellungen und die Zusammenarbeit möglich werden. Die Entwicklung der Motoren von 0,12 bis 22kW mit modularem integrierten Gebersystem brachte zunächst allerdings mehrere Herausforderungen mit sich.
Bild: Fritz Kübler GmbHLagerlose magnetische Drehgeber
Die Antriebslösungen von Lenze beinhalten häufig eine elektromagnetische Bremse, um die Maschine etwa im Stillstand zu halten. "Das integrierte Gebersystem muss ohne Einschränkungen auch in Kombination mit einer Bremse funktionieren, damit wir unseren Kunden weiterhin einen modularen Baukasten ohne funktionale Einschränkungen anbieten können", betont Florian Breker, Produktmanager der Firma Lenze für die neuen Motoren. Einen magnetischen Drehgeber, gelagert oder als Sensormodul, in unmittelbarer Nähe einer solchen Bremse zu installieren oder der in einem Motor zu integrieren, erschien zunächst unmöglich und wäre vermutlich gar nie in Betracht gezogen worden. Wenn es die frühzeitige Zusammenarbeit nicht gegeben hätte. In der Folge brachte das neue Drehgeberkonzept doch alle benötigten Eigenschaften mit, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen.
Das Simulations-Knowhow von Kübler über Magnetfelder, die eine elektromagnetischen Bremse hervorruft, war dafür sehr wichtig. Ebenso verhalfen eine teilweise gemeinsame Entwicklungsarbeit und viele Versuche in den Testlabors von Lenze und Kübler schließlich zum Durchbruch. Aufgrund einer besonderen Abschirmtechnologie, die unter anderem auf FEM-berechneten Simulationen basiert, wird das Störfeld der Bremse im Bereich der Sensorik bei allen Motorbaugrößen auf unkritische Werte reduziert.
Bild: Fritz Kübler GmbHEine Lösung für 500 Motorenvarianten
Ein gesetztes Ziel war es, mit so wenig Sensorvarianten wie möglich die gesamte Lenze-Motorenplattform von 500 Varianten zu bedienen. Auch hier wollten beide Unternehmen den Status Quo hinterfragen und die Einzelkomponenten reduzieren. Die Lösung? Der Aufbau eines Baukastens, der aus einem Sensorkopf und zwei unterschiedlich großen Magnetringen mit passender Abschirmung besteht. Dadurch wird die gesamte Motorenplattform abgedeckt.
Die aufgelöste Elektronik wird nicht mehr im Sensorkopf untergebracht, in einem separaten Modul, welches nun in einem Klemmkasten montiert wird. So ist ein kompakter Sensorkopf entstanden, der nun für alle Motorenvarianten, von Achshöhe 63 bis 180mm eingesetzt werden kann. Aufgrund des entwickelten Sensorbaukastens kann Lenze die Produktion standardisiert, flexibel und kundenorientiert gestalten. Je nach Anforderung des Kunden muss lediglich das Elektronikmodul im Klemmkasten eingesetzt bzw. ausgetauscht werden und nicht mehr ein separater Drehgeber bestellt werden. Die Schnittstellen HTL, TTL mit und ohne Nullimpuls sowie alle Strichzahlen von 128 bis 2048 werden somit abgedeckt. Weitere Strichzahlen sind durch Varianten der Klemmkastenmodule leicht umsetzbar. Zukünftige digitale Drehgeberschnittstellen können durch Weiterentwicklung des Elektronikmoduls im Klemmkasten sehr einfach ermöglicht werden.
Für die mechanische Integration des Sensorsystems haben Lenze und Kübler auch zusammengearbeitet. Das Design des B-Lagerschildes wurde unter Berücksichtigung des Drehgebersystems und dem Ziel einer justagefreie Montage gemeinsam realisiert. Dieser Mehrwert vereinfacht die Produktionsprozesse: eine Justage des Magnetsensors, z.B. mit einer Lehre, ist nicht mehr nötig.
Kübler hat parallel eine spezielle Fertigungsinsel realisiert, um die neue Lösung schlank und kostenbewusst für Lenze zu produzieren. Selbst das Verpackungsmaterial der Magnetringe ist auf den Fertigungsprozess von Lenze abgestimmt. Mit dieser Standardisierung, der justagefreien Montage der Sensorlösung in Kombination mit dem Elektronikmodul im Klemmkasten, sollen alle Werke von Lenze flexible, prozesssichere und kundenorientierte Fertigungsprozesse realisieren können.
Vorteile der neuen Motorengeneration
Die neue Motorengeneration m550 von Lenze entspricht den weltweit aktuellen und zukünftigen Ökodesign-Anforderungen. Der Leistungsbereich erstreckt sich von 0,12 bis 0,55 kW nach IE2 (Baureihe m550-H) und von 0,75 bis 22kW nach IE3 (Baureihe m550-P). Aufgrund der integrierten Drehgeberlösung ist die neue Motorengeneration bis zu 60mm kürzer und somit platzsparender und einfacher in neue und bestehende Anlagen zu integrieren. Somit ist auch eine vollständige Migration von bestehenden Motoren mit der neuen Modellgeneration möglich. Aufgrund der lagerlosen Funktionsweise und berührungslosen Abtastung können die Motoren zukünftig mit robusten, schock- und vibrationsresistenten sowie verschleißfreien Drehgebern angeboten werden. Als Teil eines Systems lassen sich die neuen Motoren passend mit den Getrieben vom Typ g500 sowie den Umrichtern der i500-Serie von Lenze kombinieren. Auch eine aufwandsreduzierte Wartung bzw. ein Austausch ist durch den einfachen Zugang des Elektronikmoduls im Klemmkasten möglich. Auch in punkto Zukunftssicherheit hat die neue Motorengeneration einiges zu bieten. Die Umstellung auf digitale Schnittstellen ist aufgrund des abgesetzten Elektronikmoduls im Klemmkasten nachträglich implementierbar.
Bild: Fritz Kübler GmbHGemeinsame Entwicklung neuer Ideen
Entwickler einer Maschine oder in diesem Fall eines Motors erstellen normalerweise ein Lastenheft. Darin werden u. a. alle Funktionen des Encoders beschrieben. Der Drehgeber-Hersteller kann dann durch seine Erfahrung sagen, welche Funktionen realisierbar sind und welche nicht. Kübler will mit Technologiegesprächen schon früher anknüpfen. Dafür bietet das Unternehmen seinen Kunden die Möglichkeit Ideen zu Encoder-Sensorik, zukünftigen Konzepten und den Anforderungen der Endkunden offen und transparent besprechen. Teilnehmer sind auf beiden Seiten Entwicklungsingenieure sowie Produktmanager. Bei Lenze und Kübler war das Technologiegespräch letztlich der Schlüssel zum Erfolg. Im Technologiegespräch fand eine ganzheitliche Betrachtung statt, um eine Lösung zu entwickeln, die für die gesamte Wertschöpfungskette Mehrwert bietet. Letztlich hat man das gesamte Motorenkonzept bzw. die gesamte Bauteilkette in mehreren Workshops hinterfragt. Durch disruptive Lösungsansätze wie den Wechsel von einer in sich geschlossenen Komponente hin zu einem motorintegrierten System sind Vorteile entstanden, die zunächst nicht absehbar waren und nur durch die richtigen Fragestellungen und die Zusammenarbeit möglich werden. Die Entwicklung der Motoren von 0,12 bis 22kW mit modularem integrierten Gebersystem brachte zunächst allerdings mehrere Herausforderungen mit sich.
Fritz Kübler GmbH
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 13 (Dezember) 2021 - 09.12.21.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
