Torquemotoren Warum Direct Drive Motoren? - torquetec.de · -2-Warum Direct Drive...

-2-

Warum Direct Drive Motoren? Torquemotoren

direct drive technology

-2-

Warum Direct Drive Motoren?Warum Direct Drive Motoren?

Speditiv und effektivUnter Direct-Drive Technik versteht man im Maschinen-bau die Verwendung von Aktuatoren, die ihre Kraft direkt, also ohne Über- oder Untersetzung, auf das anzutreibende Bauteil übertragen. Gegenüber kon-ventionellen Motor-Getriebe Kombinationen glänzt der Torquemotor mit deutlich höheren Beschleuni-gungs- und Geschwindigkeitswerten. Die Spiel- und Hysteresefreiheit des Direktantriebes ergeben sich aus seiner Konzeption. Konstruktion, Fertigung und Montage von Maschinen mit Torquemotoren sind erheblich einfacher und preiswerter als bei konventio-neller Technik.

-2-

Torquemotoren sind vom Prinzip her eigentlich nichts anderes als aufgewickelte Linearmotoren. Sie sind drehmomentstarke Synchronmaschinen für dynamische Drehbewegungen. In Verbindung mit geeigneten Meßsystemen kön-nen Torquemotoren genau positioniert werden. Die heute verfügbaren schnellen und leistungsfähigen Rechnersystemen ermöglichen den Aufbau von Regelkreisen, die den Anforderungen des modernen Werkzeugmaschinenbaus gerecht werden.

-2-

Warum Direct Drive Motoren?

-3-

Vorteile der Torquemotoren• enorme Beschleunigungs- und Verzögerungswerte• dynamisch stabil und drehsteif• optimierte Präzision im Anfahren definierter Positionen• höchste Dynamik und Schwenkgeschwindigkeiten• hohes Spitzenmoment• hoher Wirkungsgrad• längere Lebensdauer und Wartungsfreiheit durch weniger Verschleißteile• hohe Laufruhe• große Installationsöffnung• wirkungsvolle kompakte Bremse• problemloser Parallelbetrieb zweier Motoren als Einheit• anschließbar an alle bekannten Steuerungsmodule

-4-

Auch Linearbewegungen werden manchmal sinnvoller-weise mit Torquemotoren erzeugt. Ein Beispiel hierfür stellt die Aufzugstechnik dar, wo das Zugseil über eine Trommel gelegt wird. Diese Trommel kann der Außenläufer eines Torquemotors sein, wodurch erheb-licher Platz und Aufwand gespart wird.

Aber nicht nur im klassischen Maschinen- und Werk-zeugbau finden Torquemotoren ihren Einsatz.Im Fahrzeugbau bietet sich der Torquemotor zum Beispiel in Verbindung mit Brennstoffzellen oder Akkumulatoren als idealer Antrieb an.

Wo setzt man Torquemotoren ein?

Als wahre Kraftpakete werden die Torquemotoren heute vor allem als Direktantrieb in Rundtischen oder als Schwenkachse von Bearbeitungszentren eingesetzt und führen dort zu entscheidenden Wettbewerbsvor-teilen. Darüber hinaus finden sich Applikationen in Dreh-, Kunststoffspritzgieß- und Holzbearbeitungs-maschinen sowie in der Robotik.

KFZ-Antrieb

Antriebseinheit für Aufzüge

Industrieroboter

stark

verschleiß

frei

-5-

verschleiß

frei

dynamisc

h

schnell

Industrieroboter

A- und C-Achsantriebein NC-Fräsköpfen

Rundtische undDrehschwenktische

-2-

Wie arbeitet der Torquemotor?

Zentrierung

Permanentmagneten

Befestigungsbohrung

Rotor

Was ist besonders an den TorqueTec Torquemotoren?Die TorqueTec Motoren sind als Außenläufer mit ein-zeln gewickelten Spulen konzipiert. Hierdurch wird der Bauraum in Bezug auf das Drehmoment besonders effizient ausgenutzt.

Der Einbauraum für den TorqueTec Torquemotor ist also besonders einfach zu realisieren, da er rotations-symmetrisch ist und auf einer Drehmaschine herzu-stellen ist.

Durch das charakteristische Bauprinzip ist es auch möglich eine besonders kraftvolle, effiziente Bremse anzubauen. Sie kann als einfach ausgebildete Buchse (vom Hersteller mitgeliefert), ohne Aufwand außerhalb des Rotors angebracht werden.

ArbeitsprinzipDer Torquemotor arbeitet wie ein normaler Synchron-motor. Die Magnete sind in den Innendurchmesser einer Trommel eingeklebt, die als Antrieb dient. Der Stator besteht aus einer Vielzahl von Spulen, die in eine Eisenmatrix eingebracht werden. Diese Spulen sind im Stern verschaltet und werden mit 3-phasigem Drehstrom versorgt. Je nach Frequenz ergibt sich die jeweilige Drehzahl.Auf Grund der relativ hohen Anzahl von Polen kann ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden. Durch die besondere Anordnung der Perma-nentmagnete wird das Rastverhalten minimiert. Da die Magnete direkt mit den anzutreibenden Elementen gekuppelt sind, gibt es kein Spiel zwischen sich rei-benden Zahnflanken. Diese Kombination ist - in Verbindung mit vorgespann-ten Wälzlagern - absolut spielfrei. Je nach verwende-tem Meßsystem kann auch die Steifigkeit des Antrie-bes drastisch erhöht werden, d.h. höhere Leistung und Präzision. Winkelgeschwindigkeits- und Winkelbe-schleunigungswerte verbessern sich erheblich.

-6-

Wicklungskopf

Statorbleche

O-Ring Nuten

Zentrierbund

Statorrahmen

Stator

Bremse

-2--7-

Welche Optionen sind möglich?

StatorkühlungDie Statorkühlung steht in zwei Varianten zur Verfügung: entweder als mäanderförmige Kühlbohrungen oder als innenliegende Kühlwendel.

LagerungTorqueTec Motoren werden mit direkter Anbaumöglichkeit für Wälzlagerungen geliefert.Für Normalanwendungen steht eine Aufnahme für Kreuzrollenlager zur Verfügung. Für Präzisions-anwendungen, z.B. an NC-Rundtischen, werden die Motoren mit Lochbild und Zentrierung für Axial-Radiallager geliefert.

Parallelbetrieb mit zwei odermehr Motoren

Adaption an alle gängigen Maschinensteuerungen

-8-

MotorleistungDrehmomentDas erzielbare Drehmoment ist abhängig von der Einschaltdauer und der Kühlung. Die Torquemotoren sind mit einer Wasserkühlung ausgestattet und daher für höchste Dauerdrehmomente zugelassen. Je nach Ausführung wird der Stator entweder durch eine innen-liegende Kühlwendel oder durch eine mäanderförmig durchströmte Kühlbohrung gekühlt. In den technischen Daten ist das zulässige Dauer-drehmoment bei Wasserkühlung und 100°C Wick- lungstemperatur angegeben. Kurzzeitig sind Spitzen-drehmomente bis zum 3-fachen Dauerdrehmomentverfügbar. Als Puls-Drehmoment bzw. Puls-Motorstrom sind in den technischen Daten die Werte angegeben, die bei einer Pulsdauer von zwei Sekunden zugelas-sen sind. Bei kürzeren Pulsdauern sind auch höhere Ströme und Drehmomente möglich. Die Grenze für diese Ströme ergibt sich durch die Gefahr einer irre-versiblen Entmagnetisierung der Dauermagneten, wobei hier ihre Temperatur eine bedeutende Rolle spielt. Entsprechende Grenzdaten stellen wir Ihnen auf Anfrage gerne zur Verfügung.

BeschleunigungDie erzielbaren Beschleunigungswerte von TorqueTec Torquemotoren sind enorm hoch. Begrenzungen erge-ben sich nur aus den mechanischen Festigkeiten der Maschinenelemente und der Massenträgheit.

DrehsteifigkeitDie erzielbare Drehsteifigkeit eines Torquemotors hängt vor allem von dem verwendeten Antriebsverstär-ker und der Auflösung des Drehgebers ab. Ebenso ist dabei natürlich auch die mechanische Steifigkeit der tragenden Konstruktion zu berücksichtigen.

LaufruheTorqueTec Motoren sind sehr laufruhig. Sie unterlie-gen keinerlei Verschleiß und weisen keine Losen und Hysterese auf. Die Laufruhe und die dynamische Stabilität ist für die gesamte Lebensdauer des Motors garantiert

Was sind die charakteristischen Merkmale?

EinbauhinweiseUmgebungsbedingungenTorqueTec Motoren können in allen industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Es muß jedoch verhindert werden, daß Späne aus magnetisierbarem Material in den Motor gelangen können. Es sollte außerdem vermieden werden, daß der Motor mit Ölen, Fetten und Kohlenwasserstoffverbindungen in Kontakt kommt.

GehäuseDas Trägermaterial für den Motor muß so stabil sein, daß eine Verwindung des Motors nach der Montage ausgeschlossen ist. Gemäß den Toleranzen des Sta-torgehäuses sollte der Aufnahmezapfen des Motors die Toleranzklasse ISO f7 aufweisen.

FrequenzumrichterDer TorqueTec Torquemotor wird mit handelsüblichen Frequenzumrichtern mit Lageregler betrieben. Es muß darauf geachtet werden, daß der Ist-Wert-Eingang des Reglers das Lagegebersignal verarbeiten kann. Eine aktuelle Liste der verwendbaren Frequenz-umrichter finden Sie unter www.torquetec.de.

InbetriebnahmeVor der Inbetriebnahme des Torquemotors müssen der Steuerung einige wichtige Parameter mitgeteilt werden. Parametrierungshinweise entnehmen Sie bitte unserer Homepage.

Wartung und VerschleißTorqueTec Torquemotoren sind nahezu wartungs- und verschleißfrei. Bei einem temperaturüberwachten Re-gelkreis gibt es praktisch keine technische Begren-zung der Lebensdauer.

-9-

Wie wähle ich den geeigneten Motor aus?

Fall 1 DauerbetriebEin im Dauerbetrieb arbeitender Motor muss seine Verlustwärme kontinuierlich an die Umgebung abge-ben, damit seine maximale Wicklungstemperatur nicht überschritten wird. In den technischen Daten sind die Ströme und die entsprechenden Drehmomente der Motoren für eine maximale Wicklungstemperatur von 100°C angegeben, wobei eine Wasserkühlung mit einer Kühlmitteltemperatur von 20°C vorausgesetzt wird. Die Wicklungstemperatur wird mittels Temperatursen-soren überwacht. Für eine Auswertung in der Steuerung stehen ein KTY-Sensor sowie drei den Motorphasen zugeordnete PTCs zur Verfügung. Im Dauerbetrieb kann von einer gleichmäßigen Belastung aller drei Motorphasen und damit von einer gleichmä-ßigen Temperaturverteilung ausgegangen werden. Da sich die Temperatur vergleichweise langsam ändert, kann die Überwachung des Motors sowohl mit dem KTY-Sensor als auch mit den drei PTCs erfolgen. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit empfehlen wir jedoch die Auswertung beider Sensortypen.

In den Stillstandphasen kann es sinnvoll sein die Bremse zu betätigen.

Erste Voraussetzung zur Auswahl des geeigneten Motors sollte eine Analyse der zu erwartenden Beanspruchung sein:

Fall 2 IntervallbetriebIm Intervallbetrieb kommt es auf die Größe der Fläche unter der Belastungskurve des Motors an.Das effektive Drehmoment wird hier mit der folgenden bekannten Formel berechnet:

Für den effektiven Motorstrom gilt entsprechend:

Kurzzeitig dürfen Strom und Drehmoment bis zum Zweifachen der Werte des Dauerbetriebs betragen. Die effektiven Werte, berechnet nach den obigen Formeln, dürfen den in den Tabellen angegebenen Wert des Dauerstroms jedoch nicht überschreiten.

Fall 3 PeakbetriebDer Rundtischbetrieb ist ein typisches Beispiel für den Peak-Betrieb. Hier darf für die Beschleunigung und Verzögerung bis zum dreifachen Dauermoment gezogen werden, da zwischen diesen Peaks kaum Leistung benötigt wird. Auch hier dürfen die effektiven Werte die des Dauerbetriebs nicht überschreiten. Da in Abhängigkeit von der Motortemperatur die Gefahr der Entmagnetisierung der Permanentmagne-ten besteht, sollten entsprechende Applikationen und die Auswahl des richtien Motortyps mit unseren Anwendungsingenieuren besprochen werden.

E-mail Anfragen können Sie unter [email protected] an uns richten.

-10-

Technische Daten Typ RM 166

RM 166/... 100

Dim

ensi

onen

Ø DR (mm) 192

Ø dR (mm) 142,5

Ø dM (mm) 60

Ø DM (mm) 122

Ø DL (mm) 166

L (mm) 157,5

grö

ßenb

ezog

ene

Kon

stan

ten

Pulsmoment (Nm) 232

Dauermoment/100°C (Nm) 135

Stillstandsmoment/100°C (Nm) 95

Puls-Verlustleistung/20°C (W) 5482

Dauerverlustleistung/100°C (W) 1333

Motorkonstante/20°C (Nm/√W) 4,2

elektrische Zeitkonstante (ms) 18

therm. Widerstand/100°C (K/W) 0,06

Anzahl der Pole 30

Rotor-Trägheitsmoment (kgm2) 0,060

Motormasse (kg) ca. 22

Maximaldrehzahl (1/min) 756

Wic

klun

gsk

onst

ante

n

Drehmomentkonstante (Nm/Arms) 9,4

Spannungs-konstante

Vrms/1000/min 529

Vp/(rad/s) 7,2

Wicklungswiderstand/100°C (Ohm) 2,7



Motor-Induktivität (mH) 51

Puls-Motorstrom (A) 42,1

Dauerstrom/100°C (A) 18,1

Dauerstrom/80°C (A) 16,2

Maximales Drehmoment, S1 Maximaler Motorstrom, S1

-11-


RM 240/... 50 75 100

Dim

ensi

onen

Ø DR (mm) 286 286 286

Ø dR (mm) 183 183 183

Ø dM (mm) 133 133 133

Ø DM (mm) 182 182 182

Ø DL (mm) 240 240 240

L (mm) 110 135 160

grö

ßenb

ezog

ene

Kon

stan

ten

Pulsmoment (Nm) 311 466 621

Dauermoment/100°C (Nm) 159 238 318

Stillstandsmoment/100°C (Nm) 112 168 225

Puls-Verlustleistung/20°C (W) 6816 9187 11557

Dauerverlustleistung/100°C (W) 963 1298 1633

Motorkonstante/20°C (Nm/√W) 5,9 7,6 9,0

elektrische Zeitkonstante (ms) 19,8 22,0 23,3

therm. Widerstand/100°C (K/W) 0,08 0,06 0,05

Anzahl der Pole 50 50 50

Rotor-Trägheitsmoment (kgm2) 0,141 0,190 0,236

Motormasse (kg) ca. 23 31 38

Maximaldrehzahl (1/min) 464 309 262

Wic

klun

gsk

onst

ante

n

Drehmomentkonstante (Nm/Arms) 16,0 23,0 30,0

Spannungs-konstante

Vrms/1000/min 863 1294 1525

Vp/(rad/s) 11,6 17,5 20,6

Wicklungswiderstand/100°C (Ohm) 3,4 4,5 5,7



Motor-Induktivität (mH) 46,7 70,0 93,4

Puls-Motorstrom (A) 42,1 42,1 42,1

Dauerstrom/100°C (A) 13,8 13,8 13,8

Dauerstrom/80°C (A) 12,4 12,4 12,4


-12-


RM 310/... 50 75 100

Dim

ensi

onen

Ø DR (mm) 335 335 335

Ø dR (mm) 173 173 173

Ø dM (mm) 173 173 173

Ø DM (mm) 230,4 230,4 230,4

Ø DL (mm) 307 307 307

L (mm) 101,5 126,5 151,5

grö

ßenb

ezog

ene

Kon

stan

ten













Wic

klun

gsk

onst

ante

n


Spannungs-konstante

Vrms/1000/min 1377 2137 2850

Vp/(rad/s) 18,6 28,9 38,5






Dauerstrom/100°C (A) 12,9 12,9 12,9

Dauerstrom/80°C (A) 11,5 11,5 11,5


-13-


RM 410/... 50 75 100

Dim

ensi

onen

Ø DR (mm) 442 442 442

Ø dR (mm) 300 300 300

Ø dM (mm) 279 279 279

Ø DM (mm) 333,4 333,4 333,4

Ø DL (mm) 410 410 410

L (mm) 101,5 126,5 151,5

grö

ßenb

ezog

ene

Kon

stan

ten













Wic

klun

gsk

onst

ante

n


Spannungs-konstante

Vrms/1000/min 2533 3873 5066

Vp/(rad/s) 34,2 52,3 68,4






Dauerstrom/100°C (A) 13,1 13,1 13,1

Dauerstrom/80°C (A) 11,7 11,7 11,7


-14-


RM 564/... 50 75 100

Dim

ensi

onen

Ø DR (mm) 596 596 596

Ø dR (mm) 500 500 500

Ø dM (mm) 430 430 430

Ø DM (mm) 487,4 487,4 487,4

Ø DL (mm) 564 564 564

L (mm) 111 136 161

grö

ßenb

ezog

ene

Kon

stan

ten


Dauermoment/100°C (Nm) 875 1287 1717











Wic

klun

gsk

onst

ante

n


Spannungs-konstante

Vrms/1000/min 4787 7183 9577

Vp/(rad/s) 64,7 97,0 129,3






Dauerstrom/100°C (A) 13,2 13,2 13,2

Dauerstrom/80°C (A) 11,8 11,8 11,8


-15-

Glossar

Pulsmoment: Maximales, für eine Dauer von zwei Sekunden zulässiges Drehmoment. Dieses maximale Drehmoment steht für dynamische Beanspruchungen des Motors zur Verfügung und bezieht sich auf den unten definierten Puls-Motorstrom und eine Magnettemperatur von 20°C.

Dauermoment (Wasserkühlung, 100°C): Dauerhaft verfügbares Drehmoment bei einer Kühlmitteltemperatur von 20°C. Dieses Drehmoment stellt der Motor bei einer gleichmäßigen Belastung aller drei Phasen zur Verfügung. Dies setzt voraus, dass die Motorfrequenz aufgrund einer kontinuierlichen Drehung des Motors mindestens 2Hz beträgt. Zur Berechnung der zugehörigen Drehzahl wird die Motorfrequenz durch die halbe Anzahl der Magnetpole dividiert.

Stillstandsmoment (Wasserkühlung, 100°C): Bei Stillstand wird in den Motor ein Gleichstrom eingeprägt. Aus diesem Grund steht im Stillstand nur ein um √2 reduziertes Drehmoment zur Verfügung. Bei häufigem Betrieb des Motors im Stillstand oder bei sehr kleinen Drehzahlen muss beachtet werden, dass die Belastung der einzelnen Phasen sehr unterschiedlich sein kann und sich damit die Temperaturen von Phase zu Phase stark unterscheiden.

Puls-Verlustleistung: Verlustleistung des Motorstators bei Puls-Moment und einer Wicklungstemperatur von 20°C.

Dauerverlustleistung: Verlustleistung des Motors bei 100°C Wicklungstemperatur und Dauermoment.

Motorkonstante: Die Motorkonstante stellt das Verhältnis von Dauermoment zur Wurzel aus der bei diesem Moment gegebenen Verlustleistung dar. Diese Konstante wird hier auf eine Wicklungstemperatur von 20°C bezogen.

Elektrische Zeitkonstante: Elektrische Zeitkonstante des Motors. Sie ist das Verhältnis von Induktivität und Wicklungswiderstand einer Motorphase.

Thermischer Widerstand: Der thermische Widerstand gibt die Temperaturerhöhung pro Verlust- leistung an. Der angegebene Wert gilt bei einer gleichmäßigen Belastung aller drei Motorphasen und einer Wicklungstemperatur von 100°C.

Anzahl der Magnetpole: Anzahl der Magnetpole des Rotors. Das Produkt von halber Polzahl und der Drehzahl ergibt die Frequenz des Motorstromes.

Rotor-Trägheitmoment: Das Trägheitsmoment gibt den Widerstand des rotierenden Rotors gegenüber einer Änderung seiner Drehzahl an.

Motormasse: Das Eigengewicht der Motoreinheit.

Maximaldrehzahl: Bei der Maximaldrehzahl erreicht die induzierte Gegenspannung zwischen zwei Phasen einen Effektivwert von 400V. Diese Drehzahl lässt sich in etwa mit einem Frequenzumrichter am 400V-Netz ohne Belastung des Motors erreichen. Höhere Drehzahlen sind aus mechani- scher Sicht möglich, erfordern jedoch eine höhere Motorspannung oder einen Betrieb des Motors im Feldschwächbereich.

Drehmomentkonstante: Die Drehmomentkonstante hängt von der Auslegung des Magnetsystems und der Statorwicklung ab. Sie ist aufgrund der Sättigung der Motorbleche im eigentlichen Sinne keine Konstante, sondern nimmt mit zunehmendem Strom ab. Der angegebene Wert gilt für Motorströme unterhalb des halben 100°C - Dauerstromes.

Spannungskonstante: Die Spannungskonstante ermöglicht die Berechnung der induzierten Spannung in Abhängigkeit von der Drehzahl. Sie ist hier in den beiden gebräuchlichsten Einheiten angegeben.

Wicklungswiderstand (100°, 80°, 20°): In den Tabellen sind die Wicklungswiderstände zwischen zwei Motorphasen angegeben. Sie beziehen sich auf die jeweils aufgeführten Temperaturen und beinhalten eine Motorleitung von 2 m Länge.

Motorinduktivität: Induktivität der Statorwicklung, gemessen zwischen zwei Motorphasen.

Puls-Motorstrom: Der maximale Strom in den Tabellen führt im jeweiligen Motor bei einer drei Sekunden dauernden Bestromung zu einer Temperaturerhöhung von 20°C. Die insgesamt erreichte Wicklungstemperatur hängt von der vorangegangenen Belastung des Motors ab. Bei dynamischer Belastung des Motors muss mittels geeigneter Einstellung der Parameter in der Motorsteuerung dafür gesorgt werden, dass die effektive Belastung des Motors den Dauerstrom bei Wasserkühlung und 100°C Wicklungstemperatur nicht übersteigt.

Dauerstrom (Wasserkühlung, 100 und 80°C): Bei diesen Strömen wird bei Wasserkühlung und einer Kühlmitteltem- peratur von 20°C eine Wicklungstemperatur von 100 bzw. 80°C erreicht. Dabei wird eine gleichmäßige Belastung der drei Motorphasen vorausgesetzt.

-2-

Warum Direct Drive Motoren?

TorqueTec GmbHGenossenschaftsweg 2 • D- 52428 Jülich

Tel.: (+49) 2461 / 57011 • Fax: (+49) 2461 / 57010www.torquetec.de • E- mail: [email protected]

Torquemotoren Warum Direct Drive Motoren? - torquetec.de · -2-Warum Direct Drive...

Documents

Transcript of Torquemotoren Warum Direct Drive Motoren? - torquetec.de · -2-Warum Direct Drive...