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.
 Die konventionelle Lösung mit Anbaudrehgeber beeinflusst die Baugröße des Motors.
Die konventionelle Lösung mit Anbaudrehgeber beeinflusst die Baugröße des Motors.Bild: Fritz Kübler GmbH

Optische 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. Das beeinflusst allerdings die Baugröße des Motors. Dabei steigt kontinuierlich die Nachfrage der Anwender nach energieeffizienten und dennoch kompakten Motoren, die zudem flexibel in das jeweilige Antriebssystem einer Maschine integrierbar sein sollen. Damit Motoren diesen Anforderungen gerecht werden, müssen auch die Drehgeber einen Beitrag leisten. Sie sollten möglichst kompakt bauen und durch eine zahlreiche Auswahl an Schnittstellen und Auflösungen sowie Dank der Kombinierbarkeit mit anderen Motoranbauten wie Bremsen flexibel einsetzbar sein.

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.

 Durch ein spezielles Abschirmverfahren wird das Störfeld der Bremse im Bereich der Sensorik auf unkritische Werte reduziert.
Durch ein spezielles Abschirmverfahren wird das Störfeld der Bremse im Bereich der Sensorik auf unkritische Werte reduziert. Bild: Fritz Kübler GmbH

Gemeinsame 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.

 Durch die separat aufgelöste Elektronik, die nicht mehr im Sensorkopf untergebracht ist, kann lässt sich das Elektronikmodul einfach austauschen.
Durch die separat aufgelöste Elektronik, die nicht mehr im Sensorkopf untergebracht ist, kann lässt sich das Elektronikmodul einfach austauschen. Bild: Fritz Kübler GmbH

Lagerlose 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.

 Die neue Motorengeneration m550 von Lenze deckt einen Leistungsbereich 0,12 bis 0,55kW nach IE2 und von 0,75 bis 22kW nach IE3 ab. Dank der integrierten Drehgeberlösung ist die neue Motorengeneration bis zu 60mm kürzer.
Die neue Motorengeneration m550 von Lenze deckt einen Leistungsbereich 0,12 bis 0,55kW nach IE2 und von 0,75 bis 22kW nach IE3 ab. Dank der integrierten Drehgeberlösung ist die neue Motorengeneration bis zu 60mm kürzer.Bild: Fritz Kübler GmbH

Eine 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.

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