Linearantrieb Elektrische Verstellsysteme: Eine preiswerte Alternative

Ein Vergleich von elektrischen, hydraulischen und pneumatischen Systemen zeigt: beim Energieverbrauch und den Gesamtkosten siegt der elektrische Antrieb.

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Der Energieverbrauch spielt bei der Wahl des Systems eine entscheidende Rolle. Viele Prozesse werden aus diesem Grund nicht mehr mit hydraulischen oder pneumatischen Systemen, sondern mit elektrischen Verstellsystemen bewältigt. Für seine Diplom-Arbeit hat Mathias John von der Fachhochschule Gießen-Friedberg eine Versuchsumgebung entwickelt, die einen Vergleich der verschiedenen Systeme im energetischen Bereich zulässt. Bei der Auswahl der Stellantriebe fiel die Wahl ausschließlich auf handelsübliche Systeme, die sich bei Kraft und Geschwindigkeit vergleichen lassen.

Gesamtkosten hydraulisches System: 2671 Euro

Der Versuchsaufbau simuliert eine typische industrielle Applikation, bei der eine wegabhängige Last bewegt werden musste – vergleichbar einer Klappenverstellung. Die Verwendung von Gasfedern ist eine einfache Möglichkeit solche Belastungen zu realisieren. Zum Einsatz kamen Gasfedern mit einer Anschubkraft von 175 Newton und einer Ausschubkraft von 280 Newton nach 100 mm Verstellweg. Als Hydraulikaggregat wurde eine Zahnradpumpe mit einer Förderleistung von 2,0 l/min von Bosch Rexroth eingesetzt. Ein einphasiger Wechselstrommotor mit einer Leistung von 0,55 kW trieb die Pumpe an. Der erreichbare Nenndruck beläuft sich auf 50 bar. Der Tank fasst 2,8 l. Mit allen notwendigen Teilen entstanden für das Hydraulik-System Kosten in Höhe von 2671,- Euro.

Gesamtkosten pneumatisches System: 1161 Euro

Für den pneumatischen Teil des Versuchsaufbaus wurde ein Kolbenkompressor des Typs „SilentMaster 50-8-9 W“ der von Schneider Airsystems mit einer Motorleistung von 0,34 kW ausgewählt. Dieser Kompressor wird, wie schon das Hydraulikaggregat, vor allem für den Schulungs- oder Werkstatteinsatz genutzt. Der vom Hersteller angegebene Verdichtungsenddruck beträgt 8 bar. Zur Druckluftspeicherung dient ein 9 l Tank. Wie schon das Hydraulikaggregat kann auch der Kolbenkompressor mit 230 V aus der Steckdose betrieben werden. Die Gesamtkosten für das pneumatische System betrugen 1.161,- Euro.

(Teil 2: Was kostet das elektrische System?)

Gesamtkosten elektrisches System: 480 Euro

Den elektrischen Part übernahm der Linearantrieb LA12 von Linak. Mit einer bei der verwendeten Ausführung maximalen Verstellkraft von 300 N deckte dieser Antrieb den angestrebten Lastbereich optimal ab. Außerdem diente dieser Wert als Referenz für die Auswahl der Last, die die Antriebe zu Versuchszwecken verstellen sollten. Diesen Antrieb kennzeichnet, dass er von Werk aus mit ein und derselben Spindellänge ausgeliefert wird – unabhängig davon, welchen Typ der Kunde wählt. Die geforderte Hublänge wird durch Endschalter kundenspezifisch eingestellt. Somit ist es möglich, das Teilespektrum dieses Antriebs gering zu halten und dennoch eine Vielzahl an Ausführungen anbieten zu können.

Dieser Vorteil schlägt sich im günstigen Preis dieses Antriebs nieder: Das elektrische System verursachte Kosten in Höhe von 480,- Euro. Um den Antrieb über eine Steckdose zu betreiben war es erforderlich, die 230 V Wechselspannung in 24 V Gleichspannung zu transformieren.

Energieverbrauch beim elektrischen Aktuator deutlich besser

Beim elektrischen Aktuator richtet sich die Leistungsaufnahme nach der Belastung. Wird keine Last bewegt, wird lediglich ein vergleichbar geringer Trafo-Strom gezogen.

Das Hydraulikaggregat bezieht durchgehend eine hohe elektrische Leistung. Das Gesamtvolumen im System wird beim Ausfahren des Zylinders vergrößert und die Pumpe etwas entlastet. Dies führt zu den periodischen Schwankungen.

Das Pneumatikaggregat muss zunächst auf den Betriebsdruck hochpumpen. In dieser Zeit wird Leistung benötigt, es kann aber keine Arbeit verrichtet werden. Im Laufe des Zyklus wird der Tankdruck durch Luftentnahme absinken. Dies führt dazu, dass die Verstellkraft nicht konstant ist sondern absinkt bis das Aggregat nachpumpt.

Bei dem Versuch mussten die drei Systeme 12 Zyklen mit 100 Millimeter Hub leisten. Der Energieverbrauch zeigt deutlich den Vorteil des elektrischen Aktuators.

Welches System ist nun das Bessere?

In seiner Diplomarbeit kommt Michael John zum Ergebnis, dass eine Entscheidung für eines der Systeme immer von der Anwendung bestimmt wird: So war das Hydraulik-System in dem dargestellten Versuchsaufbau von der Kraftentwicklung eher unterfordert. Die Diplomarbeit macht jedoch auch deutlich, dass der elektrische Aktuator eine sehr energieeffiziente Alternative zu hydraulischen und pneumatischen Lösungen ist, denn es erlaubt für jede Applikation den Stellantrieb auszuwählen, der die benötigte Verstellkraft bietet. Somit kann gewährleistet werden, dass keine Energie bereitgestellt wird, die später nicht zum Einsatz kommt.

(jus)

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