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Antriebsauslegung Bei der Antriebsauslegung ist Genauigkeit gefragt

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Reinhard Mansius / Ute Drescher

Ein Antrieb wandelt elektrische in mechanische Energie um. Was in der Theorie einfach klingt, zeigt seine Komplexität in der praktischen Umsetzung. Denn bei der Antriebsauslegung liegt die Herausforderung oft im technischen Detail. Eine strukturierte Vorgehensweise zahlt sich hier aus, denn sowohl Unter- als auch Überdimensionierung bedeuten nachträglichen Aufwand und zusätzliche Kosten.

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Auf die Auswahl des Motors folgt die Antriebsauslegung: dabei hilft eine strukturierte Vorgehensweise eine Unter- oder Überdimensionierung zu vermeiden.
Auf die Auswahl des Motors folgt die Antriebsauslegung: dabei hilft eine strukturierte Vorgehensweise eine Unter- oder Überdimensionierung zu vermeiden.
(Bild: Bosch Rexroth)

Einen Antrieb auszulegen bedeutet, die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Motors an die Kennlinie der Arbeitsmaschine anzupassen. Bei der Konstruktion einer neuen Maschine erfolgen die ersten Berechnungen meist schon in einem sehr frühen Stadium. Oft gilt es, verschiedene Varianten zu berechnen und abzuschätzen, ob die Leistung auch dann noch ausreicht, wenn ein kleinerer Antrieb eingesetzt wird oder inwieweit sich diese mit dem nächstgrößeren Antrieb steigern lässt.

Ist der Antrieb unterdimensioniert, erreicht die Maschine nicht die gewünschte Leistung und der Antrieb muss durch einen größeren ersetzt werden. Das zieht Aufwand und eventuell sogar Konstruktionsänderungen nach sich. Wurde der Motor mit dem Regler zu groß ausgelegt, steigen Anschaffungs- und Unterhaltungskosten im späteren Betrieb, weil der Antrieb mit einem schlechten Wirkungsgrad arbeitet und zu viel Energie verbraucht.

Anwendertreff mechatronische Antriebstechnik

Im Fokus des Anwendertreffs mechatronische Antriebstechnik stehen die mechanischen Komponenten Getriebe, Kupplungen und Bremsen sowie deren Auslegung, Dimensionierung und Zusammenspiel im mechatronischen Gesamtsystem.

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Antriebsauslegung Schritt für Schritt: Von der Mechanik zum Netz

Die Antriebsauslegung betrachtet zwei Aspekte: die dynamische Anpassung, um die vorgegebenen Weg-Zeit-Bedingungen einzuhalten und die thermische Anpassung, damit der Motor sich nicht unzulässig erwärmt.

1 Berechnung des erforderlichen Drehzahl-Zeit-Verlaufs inklusive der mittleren Drehzahl (arithmetischer Mittelwert) anhand des gewünschten Bewegungsprofils.
1 Berechnung des erforderlichen Drehzahl-Zeit-Verlaufs inklusive der mittleren Drehzahl (arithmetischer Mittelwert) anhand des gewünschten Bewegungsprofils.
(Bild: Bosch Rexroth)

Die Anpassungen können auf unterschiedliche Weise erfolgen. Zum einen lässt sich der natürliche charakteristische Verlauf von Elektromotoren nutzen. Das klassische Beispiel ist bzw. war der Reihenschlussmotor bei Bahnantrieben: hohes Drehmoment bei geringer Drehzahl für den Anlauf und geringes Drehmoment bei hoher Drehzahl nach der Beschleunigungsphase für die Konstantfahrt. Eine elegantere Methode ist die Manipulation der Motorkennlinie durch Stellglieder. Diese löst die Bindung an die starren Kennlinien der verschiedenen Motorarten. In vielen Fällen lässt sich so die einfache wie robuste Asynchronmaschine einsetzen, oder, wenn mehr Effizienz und Dynamik gefordert ist, die Synchronmaschine mit Permanentmagneten.

Bei der Antriebsauslegung gilt es, die mechanischen Gegebenheiten zu analysieren und die erforderlichen Drehmomente und Drehzahlen unter Berücksichtigung der Weg-Zeitbedingungen zu berechnen. Auf dieser Basis erfolgt die Auswahl des Motors, eines darauf abgestimmten Reglers und der Netzanschlusskomponenten.

Drehzahl- und Drehmoment-Zeit-Verlauf ermitteln

Als erster Schritt wird anhand des gewünschten Bewegungsprofils der erforderliche Drehzahl-Zeit-Verlauf und daraus die mittlere Drehzahl (arithmetischer Mittelwert) berechnet (Bild 1). Wenn der genaue Bewegungsablauf nicht bekannt ist, hilft es, die Berechnung nach relativer Einschaltdauer durchzuführen. Hierbei werden alle Bewegungszyklen auf 100 % referenziert und die einzelnen Anteile für Beschleunigung, Bremsen etc. prozentual abgeschätzt.

Als nächstes werden alle wirkenden Kräfte wie Reib-, Prozess- oder Gewichtskräfte in Drehmomente und die Massen in Massenträgheitsmomente umgerechnet. Weiterhin gilt es auch „weiche“ Faktoren wie z.B. zusätzliche Reibung durch Kabelschlepp zu berücksichtigen.

2 Bestimmung des Effektivwerts des Drehmomentverlaufs (quadratischer Mittelwert).
2 Bestimmung des Effektivwerts des Drehmomentverlaufs (quadratischer Mittelwert).
(Bild: Bosch Rexroth)

Wenn der Antriebsstrang Übertragungselemente wie Getriebe oder Riemenvorgelege enthält, werden die vorher genannten Werte noch auf die Motorseite umgerechnet. Anhand dieser aufgearbeiteten Größen ist es dann möglich, die erforderlichen Drehmomente am Motor zu berechnen. Ob der Motor Drehmoment abgeben oder aufnehmen muss, sprich motorisch oder generatorisch wirkt, hängt von der Wirkrichtung der Drehmomente ab. Um die thermische Auslastung des Antriebs zu prüfen, muss noch der Effektivwert des Drehmomentverlaufs (quadratischer Mittelwert) bestimmt werden (Bild 2).

Motor, Wechselrichter bzw. Umrichter festlegen

Damit sind die einzelnen Drehmomente mit den dazu gehörenden Drehzahlen bekannt und werden in einem Diagramm eingezeichnet. Auch das Effektivmoment bei mittlerer Drehzahl wird hier eingetragen (Bild 3).

3 Die einzelnen Drehmomente mit den dazu gehörenden Drehzahlen sowie das Effektivmoment bei mittlerer Drehzahl werden in einem Diagramm eingezeichnet.
3 Die einzelnen Drehmomente mit den dazu gehörenden Drehzahlen sowie das Effektivmoment bei mittlerer Drehzahl werden in einem Diagramm eingezeichnet.
(Bild: Bosch Rexroth)

Auf dieser Basis erfolgt die Auswahl eines Motors, der die einzelnen Drehmomente bereitstellen kann. Da jetzt erst das Massenträgheitsmoment des Motors bekannt ist, muss die Berechnung der Drehmomente noch einmal durchgeführt werden. Dabei steigen die einzelnen Drehmomente etwas an und die Eignung des Motors ist noch einmal zu prüfen. Ggf. kann es erforderlich sein, den nächstgrößeren Motor zu nehmen.

Steht der Motor und damit sein Strombedarf fest, folgt die Auswahl eines geeigneten Wechsel- oder Umrichters. Es genügt, wenn dieser den tatsächlichen Strombedarf aus den Drehmomentanforderungen abdeckt. Um die Auswahl zu erleichtern stellt Rexroth an dieser Stelle Drehmoment-Drehzahl-Diagramme für komplette Motor-Regler-Kombinationen zur Verfügung.

Versorgung, Zusatzkomponenten, Netzdrossel und -filter auswählen

Werden in einem modularen System mehrere Wechselrichter an einer Gleichspannungsversorgung betrieben, wird der erforderliche Leistungsbedarf pro Antrieb ermittelt und aufsummiert. In die Berechnung fließen Ein- und Rückspeise-Dauerleistung, die Spitzenleistung und die Rückspeiseenergie ein. Dieselben Größen sind notwendig, um erforderliche Zusatzkomponenten wie z. B. Bremswiderstände oder Zusatzkapazitäten zu ermitteln.

Der letzte Schritt der Antriebsauslegung besteht in der Auswahl eventuell notwendiger Netzdrossel und -filter. Diese richtet sich nach dem Netzstrom, der Anzahl aller an einer Einspeisung betriebenen Antriebe, der Motorkabellängen und den parasitären Kapazitäten der Kabel und Motoren.

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Softwaretools helfen

Die Antriebsauslegung setzt ein gewisses Grundverständnis und Formelwissen voraus. Unterstützung bei der Vorgehensweise und den einzelnen Berechnungen bieten Softwaretools wie das Auslegungsprogramm IndraSize von Rexroth. Dieses vereinfacht die optimale Dimensionierung von Antriebsregler, Motor und mechanischer Übertragung. Anwender können alle gängigen Antriebsmechanismen wie Kugelgewindeantrieb, Zahnstange, Zahnriemen, linearer Direktantrieb, Drehtisch, Walzen oder Wickler über die komfortable Bedienoberfläche innerhalb weniger Minuten festlegen. Darüber hinaus bietet IndraSize die Möglichkeit, typische Anwendungen wie mitlaufende Bearbeitung in sehr einfacher Form über eine Parametereingabe zu beschreiben. Weiterhin lassen sich Bewegungsprofile auch frei konfigurieren. In einer Datenbank sind zudem speziell optimierte Motor-Regler-Kombinationen für Servoantriebe (rotativ oder linear), S1-Antriebe (Druck-Applikationen) und Hauptantriebe hinterlegt. Damit erhalten Anwender immer den wirtschaftlichsten Antrieb und vermeiden teure Überdimensionierungen.

* Dipl.-Ing. Reinhard Mansius ist Produktmanager Antriebssysteme bei der Bosch Rexroth AG, Lohr.

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