Aktuatortechnik für industrielle Anwendungen

Elektro statt Hydraulik?

Elektromechanische Aktuatoren erreichen immer bessere Leistungswerte in puncto Belastbarkeit, Langlebigkeit und Intelligenz. Damit steigt ihr Potenzial als Ersatz für Hydraulikzylinder. Weil elektrische Alternativen die Anforderungen an Hydraulikzylinder oft sogar übertreffen können, sollten sich Entwickler die Zeit nehmen, um beide Antriebsarten und die Lösungen auf dem Markt gegenüberzustellen.
 Der elektrohydraulische Linearaktuator H-Track von Thomson bewältigt Kräfte bis 21kN und verkraftet ähnlich wie ein Hydrauliksystem stärkere Stöße.
Der elektrohydraulische Linearaktuator H-Track von Thomson bewältigt Kräfte bis 21kN und verkraftet ähnlich wie ein Hydrauliksystem stärkere Stöße.Bild: Thomson Industries Inc.

Klassische Hydraulikzylinder, z.B. für den Einsatz in mobilen Anwendern, funktionieren nicht ohne Öltank, aufwändige Verrohrung vom Tank zum Zylinder sowie einen Kabelstrang. Neben der Gefahr für die Umwelt durch austretende Fluide ist auch der Wartungsaufwand entsprechend hoch. Eine moderne Alternative bietet oft ein hybrider Aktuator, der die Hubleistung eines Hydrauliksystems mit der Sauberkeit, Kompaktheit und Steuerbarkeit eines elektrischen Linearaktuators kombiniert. Eine solch elektrisch angetriebene Einheit von Thomson liefert ohne komplexe Infrastruktur Kräfte bis 21kN. Darüber hinaus bietet die Einheit eine Stoßfestigkeit, die einem vollhydraulischen System nicht nachsteht.

 Der langlebige Thomson Electrak LL mit bürstenlosem Gleichstrommotor ist für Anwendungen mit hoher Einschaltdauer ausgelegt, die keine besondere Präzision erfordern.
Der langlebige Thomson Electrak LL mit bürstenlosem Gleichstrommotor ist für Anwendungen mit hoher Einschaltdauer ausgelegt, die keine besondere Präzision erfordern. Bild: Thomson Industries Inc.

Höhere Lebensdauer

Auch bei der Konstruktion von Vorrichtungen, die einfache Bewegungen in hoher Frequenz ausführen, kamen in der Regel hydraulische Lösungen zum Einsatz. Sie liefern eine akzeptable Einschaltdauer von 40 bis 80 Prozent, was zu einer höheren Lebensdauer beiträgt – allerdings wird ein nicht unerheblicher Teil dieser Lebensdauer für die Wartung des Zylinders aufgewendet. Herkömmliche Elektro-Aktuatoren wären hier meist ungeeignet. Kostengünstigere Lösungen könnten zwar mit Hydraulikzylindern konkurrieren. Sie verwenden aber bürstenbehaftete Wechselstrommotoren, was die Lebensdauer des Aktuators durch die reibungsbedingte Überhitzung der Bürsten einschränkt. Höherwertige Aktuatoren mit bürstenlosen Schritt- oder Servomotoren würden nicht überhitzen, wären aber wirtschaftlich oft nicht vertretbar.

Hier kommt eine neue Generation langlebiger, dauerbelastbarer Elektro-Aktuatoren ins Spiel, die für solche einfachen, repetitiven Bewegungen geeignet sind. Anstelle von Servo-, Schritt- oder Wechselstrommotoren arbeiten diese auf Langlebigkeit ausgelegten Aktuatoren üblicherweise mit bürstenlosen Gleichstrommotoren. Da sie praktisch keine Reibung erzeugen, ist eine Einschaltdauer von mindestens 35 Prozent, je nach Last und Umgebungstemperatur sogar bis zu 100 Prozent erreichbar. Weitere Faktoren für die hohe Langlebigkeit sind Muttern mit Doppelumlenkung und größere Spindeln. Damit lassen sich die Lebenszyklen von 40.000 auf rund eine Million erhöhen und die Laufzeiten vervielfachen.

Zusammengenommen können solche Merkmale die Lebensdauer um das Zehnfache gegenüber einem Wechselstrommotor verlängern. Im Vergleich sind Aktuatoren mit bürstenlosem Gleichstrommotor zudem deutlich kompakter, da sie ohne Getriebe auskommen. Darüber hinaus sind auf Langlebigkeit ausgelegte Aktuatoren in der Regel mit einer hohen IP-Schutzart abgedichtet und dauergeschmiert. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich daraus, dass bürstenlose Gleichstrommotoren von einer 24V-Batterie gespeist werden können, was vor allem in mobilen Anwendungen große Vorteile bringt.

 Bei intelligenten Aktuatoren ist die Elektronik im Aktuatorgehäuse integriert, sodass die Ansteuerung, Synchronisierung und Vernetzung automatisch 
erfolgen kann, etwa über eine SPS.
Bei intelligenten Aktuatoren ist die Elektronik im Aktuatorgehäuse integriert, sodass die Ansteuerung, Synchronisierung und Vernetzung automatisch erfolgen kann, etwa über eine SPS.Bild: Thomson Industries Inc.

Steuerung und Präzision

Ein weiterer Aspekt, unter dem sich der Ersatz eines Hydraulikzylinders durch einen elektrischen Aktuator anbietet, sind die Steuerungsmöglichkeiten. Hydrauliklösungen lassen sich zwar ebenfalls mit Steuerungs- und Präzisionsfunktionen erweitern. Das ist aber nicht ganz einfach. Denn dann sind zusätzliche Rückführungsgeräte notwendig, ebenso wie elektrische Stellglieder an den Ventilen, die den Durchfluss des Hydraulikfluids regeln. Für Anwendungen, die Präzision sowie Kräfte bis 16kN erfordern, ist ein elektrischer Aktuator oft weitaus bessere Wahl. Hier bietet Thomson Aktuatoren an, die über eine integrierte Steuerung verfügen. Ansteuerung, Positionsrückführung und Systemdiagnosen erfolgen dann rein softwaretechnisch. Auf diese weise lassen sich mehrere Geräte vernetzen, synchronisieren oder automatisch koordinieren. Dazu können Signale aus einer gemeinsamen externen Quelle genutzt werden, z.B. einer SPS. Somit ist jetzt auch die Einbindung in komplexere Regelstrategien möglich.

Anwendungen, die sehr große Verstellkräfte erfordern, werden vermutlich weiterhin mit fluidbetriebenen Zylindern gelöst. In der Regel kann man bei Anwendungen, die Kräfte bis 22kN erfordern, aber auch immer elektrische Aktuatoren ins Auge fassen. Das gilt insbesondere überall dort, wo der Platz knapp ist, wo Verunreinigungen durch Hydrauliköl problematisch sind, wo die Wartungskosten langfristig gesenkt werden sollen und wo Maschinen 25 Jahre oder länger ihren Dienst versehen sollen. Für Anwendungen, die ein gewisses Maß an Präzision oder Steuerung benötigen, sollten Maschinenentwickler ebenfalls die Kosten und Vorteile elektrischer Systeme mit denen hydraulischer Lösungen über den gesamten Lebenszyklus vergleichen. Je mehr Bewegungsachsen, desto höher die Anschaffungskosten, aber dennoch wird mit elektrischen Aktuatoren auf lange Sicht gespart. Denn wenn die Kosten für den Einbau und die aufwändige Wartung der benötigten Hydraulik-Infrastruktur, die Probleme bei Undichtigkeiten sowie weitere Nachteile von Hydraulikzylindern einberechnet werden, liegen die Gesamtbetriebskosten für Elektro-Aktuatoren auf demselben Niveau oder darunter. Und wenn die Notwendigkeit erhöhter Präzision und/oder Steuerung einbezogen wird ist das Potenzial für eine sogar noch höhere Rendite deutlich höher.

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