Drehzahl, Position und Motor mit Encodern clever überwacht

Ob des Trends zum geberlosen Antrieb bleiben Encoder unverzichtbar. Mehr noch: ein smartes Motor-Feedback analysiert den Zustand von Motor, Maschine und Anlage im Sinn des Condition Monitoring.

Weltweit ist der Asynchronmotor die am häufigsten eingesetzte elektrische Maschine in der Antriebstechnik, um im hohen Leistungsbereich dynamische Anwendungen zu fahren. Sein Anlauf gegen große Gegenmomente schafft er ganz ohne Hilfsmittel. Die hohe Drehzahltauglichkeit und sein kontinuierlich präziser Lauf sind weitere Vorzüge. Seit Januar 2017 müssen Asynchronmotoren mit Nennleistung von 0,75 bis 375 kW mindestens die Wirkungsklasse IE3 besitzen oder der Wirkungsklasse IE2 entsprechen und mit einem Frequenzumrichter betrieben werden. Soll dabei auch die Achsdrehzahl erfasst und geregelt werden, kommen hierzu Inkrementalgeber als Signalrückführung zum Einsatz.

In Papier- und Textilmaschinen eignen sich Asynchronmotoren hervorragend als Walzenantriebe. Auch im Bereich der Werkzeugmaschinen, beispielsweise in Fräsbearbeitungszentren oder Drehautomaten, werden diese eingesetzt, um bei konstanter Drehzahl mit einer Vielzahl an Achsen ein Werkstück optimal zu bearbeiten. Damit jeder Prozessschritte reibungslos abläuft, gibt es für die Maschinensteuerung ein breites Portfolio an inkrementalen Drehgebern, entsprechend den mechanischen und elektrischen Gegebenheiten.

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Ein weiteres breites Anwendungsfeld sind Getriebemotoren, eine Kombination aus Asynchronmotor und Getriebe. Diese wird vor allem dann eingesetzt, wenn große Drehmomente zu übertragen sind, z.B. an großen Rundtischen, an denen gleichzeitig unterschiedliche Prozessschritte an verschiedenen Bearbeitungsstationen stattfinden. Hier werden absolute Drehgeber zur Positionsüberwachung eingesetzt. Auch nach einem spannungslosen Zustand steht nach dem Wiedereinschalten die absolute Position wieder bereit. Referenzfahrten sind somit überflüssig und der Produktionsablauf kann dadurch ohne Wartezeiten wieder aufgenommen werden.

Im Vergleich zu inkrementellen Drehgebern haben marktübliche absolute Drehgeber aufgrund der Getriebetechnologie eine deutlich längere Bauform. Größere Einbauräume sowie größere Lüfterhauben sind die Folge. Das hat Kübler geändert und bietet den flachsten Multiturn-Drehgeber auf dem Markt an – den Sendix F5883/F5888. Dieser zeichnet sich mit seiner geringen Bautiefe von nur 43 mm und tangentialem Kabelabgang als kompakte Sensorlösung für eine präzise Positionsüberwachung und optimale Drehzahlregelung des Motors aus. Es entstehen dadurch enorme Vorteile bei der Dimensionierung des Motors und letztendlich führt dies zu Einsparungen von Platz und Kosten.

Kübler ist in der Antriebstechnik stark verwurzelt und hat sich mit seinem breiten Portfolio an Drehgebern dieser Branche verschrieben. Das fundierte Wissen in dieser Branche macht Kübler zu einem kompetenten Partner für Antriebs- und Motorenhersteller, wenn es darum geht unterschiedlichste elektrische Antriebe präzise und optimal zu regeln und somit auch die Energieeffizienz zu steigern.

Smart und lagerlos: Drehgeber für die Asynchronmaschine

Gemeinsam mit namhaften Herstellern dieser Branche hat man auf Basis der lagerlosen Drehgeber ein integriertes Messsystem für Asynchronmotoren entwickelt, welches in punkto Leistungsfähigkeit, Kompaktheit und nicht zuletzt durch Einsparung von Platz und Kosten im Vergleich zu gelagerten Drehgebern neue Maßstäbe setzt.

Eine enge und vertrauensvolle Zusammenarbeit beider Partner war hier essentiell, um das kompakte magnetische Messsystem in den Motor zu integrieren. Aufgrund innovativer Abschirmtechnologie, welche auf FEM-berechneten Simulationen basiert, und trotz magnetischer Störfelder, die beispielsweise beim Auslösen der elektromagnetischen Bremse entstehen, ist die Integration des kompakten magnetischen Messsystems vollends gelungen.

Eine weitere Besonderheit in dieser Umsetzung besteht in der hohen Signalqualität und der daraus resultierenden hohen Regelgüte des Antriebs. Smarte digitale Echtzeit-Signalverarbeitung: Hinter dem Begriff smart steht in doppelter Hinsicht eine Neuerung. Einerseits werden durch eine digitale und auf FPGA-basierende Signalverarbeitung sowohl ein Driften als auch Signalfehler (die etwa durch Temperatur, Alterung und Einbautoleranzen u.a.m. entstehen) aktiv ausgeregelt. Trotz einer vergleichsweise groben Teilung der magnetischen Maßverkörperung sind dadurch genaue und hochaufgelöste Zustandsgrößen möglich.

Andererseits wird mittels der ohnehin vorhandenen Kenntnis der Kenngrößen des Antriebssystems das Condition Monitoring und Predictive Maintenance ermöglicht. Parametrierbarkeit, auch der integrierten digitalen Signalfilter mit Delay-Kompensation, die sich als sehr vorteilhaft in vielen Applikationen herausgestellt haben sowie ein elektronisches Typenschild inklusive Anwenderspeicher runden die Merkmale ab. So entstand ein Feedbacksystem mit ungewöhnlich hoher Signalgüte und besonderer Kompaktheit für die Integration.

Für den Härtefall: Heavy-Duty-Geber zur Drehzahlmessung

Der Einsatz von Sensorik ist vielfältig und stellt diese vor allem in rauen Umgebungen vor große Herausforderungen. Unter schweren Umweltweltbedingen wie Temperaturschwankungen, Feuchte, Staub oder ständigen Stoß und Vibrationen müssen Drehgeber präzise und zuverlässig beispielsweise die Drehzahl von Großmotoren und Generatoren erfassen und sicher für die Drehzahlrückführung sorgen. Solche Motoren werden in der Schwerindustrie wie auch in Windkraftanlagen eingesetzt. Hierzu hat Kübler extrem robuste Drehgeber entwickelt, die besonders widerstandsfähig gegen Wellenströme sowie stoß- und vibrationsfest sind. Ihre Robustheit wird unter anderem durch den besonderen Lageraufbau im HD-Safety-Lock-Design erreicht. Solche inkrementellen Drehgeber (A020/A02H und Sendix H100 und H120) sind bis zu einem Wellendurchmesser von 42 mm einsetzbar.

Als kompakte Alternative finden lagerlose Drehgeber ihren Einsatz an Großmotoren und Generatoren. Diese sind aufgrund der Bauweise nicht durch Wellenströme belastet und im Vergleich zu gelagerten Drehgebern bis zu einem Wellendurchmesser von 390 mm verfügbar. Anwendungsspezifisch sind auch Lösungen für Wellendurchmesser über 500 mm möglich. Ein solches magnetisches Messsystem ist sehr robust und mit seiner sehr geringen Einbautiefe zudem besonders Platz sparend. Ergänzt wird die Robustheit durch die hohe Schutzart IP69k, die auch das Eindringen von Wasser bei der Reinigung mit Hochdruck- oder Dampfstrahl verhindert.

Varianten der lagerlosen Drehgeber mit Smart Technology erfassen neben der reinen Drehzahl weitere Messwerte, die für das Condition Monitoring sowie für die nächste Ausbaustufe Predicitive Maintenance zur Verfügung stehen. Dadurch erhöht sich die Anlagenverfügbarkeit, denn unerwartete und unerwünschte Stillstandzeiten werden sicher reduziert.

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