EMO 2015 Energieeffizient und wirtschaftlich – neue Torquemotoren von Schaeffler

Redakteur: Ute Drescher

Die bevorstehende Ökodesign-Richtlinie (ErP RL2009/125/EG) der Europäischen Union wirft ihre Schatten voraus. Am Beispiel zweier neuer Produkte der Direktantriebstechnik zeigt Schaeffler Herstellern von Werkzeugmaschinen einfache, konstruktive Möglichkeiten, die helfen, durch die richtige Motor- und Lagerwahl erhebliche Energie- und Kostenoptimierungen zeitnah zu realisieren. Die neue Torquemotorenreihe RIB steht hierbei im Vordergrund.

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Mit der neuen Torquemotor-Serie RIB bietet die INA Drives & Mechatronics GmbH & Co. KG (IDAM) thermisch optimierte Direktantriebe für höhere Produktivität und geringeren Energieverbrauch von Werkzeugmaschinen.
Mit der neuen Torquemotor-Serie RIB bietet die INA Drives & Mechatronics GmbH & Co. KG (IDAM) thermisch optimierte Direktantriebe für höhere Produktivität und geringeren Energieverbrauch von Werkzeugmaschinen.
(Bild: Schaeffler)

Die „ErP-Richtlinie zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte“ wurde 2009 vom EU Parlament verabschiedet und wird seit einigen Jahren Schritt für Schritt umgesetzt. Erste Auswirkungen hiervon hat die breite Öffentlichkeit mit dem Verbot von 100W-Glühlampen bemerkt. Die nächsten Verbote treffen z.B. Staubsauger mit hohen Leistungen und weitere Hausgeräte. In der Industrie sind im Moment Umwälzpumpen oder Elektromotoren direkt betroffen. Hier ist das Ziel, Motoren mit höheren Effizienzklassen einzusetzen. Weniger bekannt sind die Auswirkung der Umsetzungsrichtlinie für Werkzeugmaschinen.

Werden zukünftig Maschinen mit hohen Verlustleistungen verboten? Sicherlich nicht in dieser Schärfe, doch wurde ein Energiesparziel vom Gesetzgeber definiert, das grundsätzlich umzusetzen ist. Von 2009 bis 2012 wurden Gutachten zu folgenden Fragestellungen in Auftrag gegeben: Wo kann Energie eingespart werden? Wie viel Energie kann eingespart werden? Zu welchen Kosten ist dies möglich?

  • Ergebnis 1: Werkzeugmaschinen sind so unterschiedlich, dass eine generelle Lösung (wie bei den Glühlampen) nicht umsetzbar ist.
  • Ergebnis 2: Die Vielzahl der Optimierungen ist nur schwer überschaubar, da jeder Maschinentyp wie Fräsmaschinen, Bohrmaschinen oder Stanzapparate ihre Eigenarten haben und im Detail betrachtet werden müssen.

Das derzeit wahrscheinlichste Szenario ist eine freiwillige Selbstkontrolle, bei der sich die Industrie verpflichtet, in zehn Jahren 12 % weniger Energie zu verbrauchen als heute. Denkbar ist aber auch eine EU-Durchführungsmaßnahme, die verschiedene Einsparmaßnahmen vorgibt und dem Maschinenhersteller entsprechende Punkte für die Umsetzung einzelner Maßnahmen gutschreibt. Eine finale Entscheidung der Kommission steht noch aus.

Auch kleine Verbraucher bieten Optimierungspotentiale

Nicht zuletzt vor diesem rechtlich relevanten Hintergrund war es angebracht, der herstellenden Industrie vorauseilend Lösungen im Komponenten- und Systembereich bereitzustellen. Schon heute gilt dem Energiekonsum der Einzelkomponenten ein größeres Augenmerk. Energie in Form von Strom, Druckluft oder Hydraulik sollte nicht nur der Umwelt oder dem Gesetzgeber zuliebe reduziert werden. Vielmehr ergeben sich hier klare Wettbewerbsvorteile. Maschinen, die weniger Strom verbrauchen, kosten auch weniger in der Unterhaltung. Damit sinken auch die Produktionskosten der auf ihnen gefertigten Produkte.

Im Moment gibt es sehr viele verschiedene Studien, die unterschiedliche Produktionsmaschinen untersucht haben, und somit auch zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Grundtenor ist aber in allen Arbeiten, dass 35 bis 50% der gesamten Energie einer Werkzeugmaschine in den Hauptantrieben und deren Kühlung benötigt wird. Kühlschmierstoffversorgung und -aufbereitung, Steuerung sowie Hydraulik sind weitere Hauptverbraucher.

Es lohnt aber auch, auf die kleinen Verbraucher zu schauen! Schon kleine Änderungen etwa im Lagerungskonzept zahlen sich in barer Münze aus.

Ein Beispiel sind die heute üblichen Spindel- oder Rundtischlager: Hier kann ohne großen konstruktiven Auf-wand eine Alternativlagerung eingesetzt werden. Im Rundtisch erzeugt ein Lager mit Innendurchmesser von 325mm etwa 90Nm Reibung bei 100 min-1. Ersetzt man das Lager durch ein YRTS 325, reduziert man die Reibung auf nur 10 Nm. Das bedeutet, die Achse spart im Betrieb rund 800 W. Das sind rund 1.000 € jedes Jahr bei einem S1-Einsatz von 7/24 Stunden.

Auch „AUS“ schalten ist ein weiterer Ansatz, wie bis zu 20 % des Energieverbrauchs bei Einschichtbetrieb reduziert werden kann. Da viele Maschinen nicht komplett „ausgeschaltet“ werden, gibt es steuerungsseitig noch große Potentiale.

Auch die Hauptantriebsauslegung ermöglicht eine Fülle unterschiedlicher Einzelmaßnahmen. Hier entscheidet sich schon früh, ob die spätere Maschine ein „Energiefresser“ oder ein „Sparfuchs“ sein wird. Zwei Herangehensweisen sind bei der Auslegung besonders interessant, hier „heißer“ bzw. „kalter Antrieb“ genannt. Namensgebend ist die angestrebte Temperatur im thermisch eingeschwungenen Zustand.

Auslegung als „heißer“ oder „kalter“ Antrieb

Die Variante „heißer Antrieb“ bietet sich bei Großserienfertigungen an, bei denen die auszulegende Achse einen Engpass in der Produktion darstellt. Auf einen Fertigungsprozess hin werden die Antriebe so ausgelegt, dass der Bauraum maximal genutzt und die höchste für den Prozess sinnvolle Antriebsleistung installiert wird. Im späteren Dauerbetrieb fährt der Motor nahe an seiner Leistungsgrenze und somit auch an der thermischen Grenze.

Beim „kalten Antrieb“ hingegen wird der Motor bewusst etwas überdimensioniert. Der Vorteil liegt auf der Hand. Die Motortemperatur bzw. die Wärmeverlustleistung des Motors ist deutlich geringer. Die Genauigkeit des Systems steigt und durch die höheren Drehmomente kann z.B. bei 5-Achsbearbeitung einer Kontur besser gefolgt werden. Als Folge hieraus nehmen Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit zu. Nachteilig an dieser Variante ist ein meist etwas höherer Preis.

Man kann nun versuchen, einen Motor zu entwickeln, der sowohl sehr gute Eigenschaften bei der Kraft-/Momentendichte im Bauraum als auch Spitzenwerte bei der Ableitung entstehender Wärme hat. Es geht also im Kern um Entwärmung, sprich: um das Wärmemanagement der Antriebe.

Wärmemanagement ebenfalls entscheidend

Ein Gedankenexperiment mag den Begriff des Wärmemanagements in einem Direktantrieb vorab veranschaulichen: Man stelle sich hierzu zwei Aluminiumplatten vor, die auf einer großen Basis liegen. Die eine (links) ist mit einem konventionellen Isolationsmaterial beschichtet, die andere (rechts) mit einem neuen innovativen Material. Legt man nun zwei gleichgroße Eiswürfel auf die beiden Aluminiumkörper, zeigt sich, dass ein Eiswürfel deutlich schneller schmilzt als der andere. Nach kurzer Zeit stellt sich auf der rechten Seite eine niedrigere Temperatur des Grunkörpers ein. Das bedeutet, dass die Wärmeenergie des Aluminiumkörpers die Isolation schneller durchdringt als bei dem Vergleichskörper mit konventioneller Isolation.

Zurück zum Elektromotor: Vereinfacht betrachtet, wird die Verlustleistung von den Motorwicklungen erzeugt und in das Motorenblech abgeleitet. Von diesem überträgt sie sich auf das Gehäuseteil und schließlich in das Kühlmedium. Im nächsten Schritt wird im thermischen Ersatzschaltbild des Elektromotors jeder Wärmeübergangswiderstand rechnerisch untersucht und optimiert.

Gelingt es den Wärmeübergangswiderstand deutlich zu reduzieren, hat man im Ergebnis nicht nur einen deutlich kühleren Motor, sondern auch ein thermisch robusteres System. Die maximal mögliche Leistung, die aus dem Motor heraus gekühlt werden kann, erhöht sich im Beispiel (RIx 230x50) von knapp 2 kW auf über 3,6 kW. In der praktischen Umsetzung bedeutet dies, Motoren können mit mehr Leistung gefahren werden (Auslegungsstrategie „heißer Motor“) oder die Reserve wird bewusst zur Wirkungsgradverbesserung genutzt (Auslegungsstrategie „kalter Motor“).

Neuer Torquemotor mit verbessertem Nennmoment oder minimaler Wärmeverlustleistung

In die neue Torquemotoren-Produktreihe RIB wurden all diese Erkenntnisse eingearbeitet. Analog ist selbstverständlich auch ein Linearmotor möglich.

Im Einzelnen ist der Torquemotor RIB deutlich im möglichen Nennmoment verbessert. Er ist austauschbar mit den entsprechenden Vorgängermodellen RI und mit den marktüblichen Motorengrößen weitgehend kompatibel.

Je nach Auslegung hat man die Wahl zwischen maximalem Moment (+12 %) oder minimaler (-30 %) Wärmeverlustleistung. Die aktive Magnetlänge kann in 25mm-Schritten an die Anwendung angepasst und der so gewonnene Bauraum optimal genutzt werden. Wie bei IDAM-Motoren gewohnt, sind sie rastkraftoptimiert und an den meisten marktüblichen Steuerungen einsetzbar. Die Motorreihe RIB ist heute bereits in einzelnen Typen lieferbar und geht bis Ende 2015 in Serie.

Die Umsetzung in einen Linearmotor bedeutete die Entwicklung einer völlig neuen Generation von Motoren. Dies wird im Linearmotorkonzept L7 verfolgt, und bei entsprechender Marktresonanz in der gleichnamigen Linearmotorenserie L7 umgesetzt. Dabei sollte der neue Motor zum aktuellen Marktführer bei Linearmotoren mechanisch kompatibel sein, aber erhebliche technische Vorteile haben.

Aktuell zeichnen sich in Tests 7 % mehr Kraft bei gleichzeitig 40 % weniger Verlustleistung ab. Eine "Präzisionskühlung" ist im Motor nicht notwendig und der Magnetkreis ist für besten Gleichlauf optimiert. Optionen wie drei Kabelabgangsvarianten, thermische Entkopplung des Motors und Sekundärteilkühlung runden die Baureihe ab.

Abschließend noch ein kleines Rechenbeispiel für eine Fünf-Achs-Fräsmaschine, die schon heute mit Direktantrieben genutzt wird. Ersetzt man alle Linear- und Torquemotoren durch die neuen IDAM RIB- bzw. L7-Konzeptmotoren, ergibt sich bei 30 % Auslastung der Achsen eine Reihe von Vorteilen:

  • Reduzierung der Wärmeverluste von 17 auf 11,5kW in den Hauptvor-schubachsen
  • Einsparung von 7,2t CO2 p.a.
  • das entspricht 14,4MWh p.a.

Gleichbedeutend mit 2.168 € p.a. bei 15 ct/kWh

Die verwendeten Motoren sind RIB 230x50 in Rundtisch, 2 Stück RIB 230x100 in den Schwenkachsen und je ein Konzept L7 600x150 in den Linearachsen X,Y und Z.

Weitere Einsparungen bietet zum Beispiel der Einsatz von YRTS Lagern in Rundtisch und Schwenkachsen. Hier gilt: Je höher die Lagerdrehzahl, desto rentabler der Einsatz reibungsoptimier-ter Lager. 1000€/a (800W) Betriebskos-teneinsparungen sind durchaus denk-bar. Dieses Beispiel soll die generelle Vorgehensweise veranschaulichen und ist hier noch rein hypothetisch. Später wird sie sich sicher in realen Kundenprojekten bewähren.

Die anstehende „ErP Richtlinie zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte“ sieht auf den ersten Blick mächtig aus, wird aber vorrausichtlich bei der Umsetzung weniger Probleme bereiten. Die Lösungen bietet der Markt bereits an.

Wer das Thema Energieeffizienz heute ernst nimmt und sich richtig aufstellt, festigt seine Marktposition. Am Beispiel eines Fünf-Achs-Bearbeitungszentrums kann der Energiekonsum bei gleicher Leistung um rund 14,4 MWh gesenkt und, anders betrachtet, um bis zu acht Tonnen CO2 reduziert werden. Die an-fänglichen Mehrkosten sind meist schon nach wenigen Betriebswochen amortisiert.

Sobald das Thema TCO (Total Cost of Ownership) in Maschinenausschrei-bungen eine Rolle spielt, werden „grüne“ Argumente wie etwa der CO2-Verbrauch zu einem harten Faktor und bilden einen echten Wettbewerbsvor-teil. (ud)

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