Torquemotoren - TorqueTec GmbH, Torquemotoren und

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Torquemotoren
direct
drive
technology
Warum Direct Drive Motoren?
Speditiv und effektiv
Unter Direct-Drive Technik versteht man im Maschinenbau die Verwendung von Aktuatoren, die ihre Kraft
direkt, also ohne Über- oder Untersetzung, auf das
anzutreibende Bauteil übertragen. Gegenüber konventionellen Motor-Getriebe Kombinationen glänzt
der Torquemotor mit deutlich höheren Beschleunigungs- und Geschwindigkeitswerten. Die Spiel- und
Hysteresefreiheit des Direktantriebes ergeben sich
aus seiner Konzeption. Konstruktion, Fertigung und
Montage von Maschinen mit Torquemotoren sind
erheblich einfacher und preiswerter als bei konventioneller Technik.
Torquemotoren sind vom Prinzip her eigentlich
nichts anderes als aufgewickelte Linearmotoren.
Sie sind drehmomentstarke Synchronmaschinen für
dynamische Drehbewegungen.
In Verbindung mit geeigneten Meßsystemen können Torquemotoren genau positioniert werden. Die
heute verfügbaren schnellen und leistungsfähigen
Rechnersystemen ermöglichen den Aufbau von
Regelkreisen, die den Anforderungen des modernen
Werkzeugmaschinenbaus gerecht werden.
-2-
Vorteile der Torquemotoren
• enorme Beschleunigungs- und
Verzögerungswerte
• dynamisch stabil und drehsteif
• optimierte Präzision im Anfahren
definierter Positionen
• höchste Dynamik und
Schwenkgeschwindigkeiten
• hohes Spitzenmoment
• hoher Wirkungsgrad
• längere Lebensdauer und Wartungsfreiheit
durch weniger Verschleißteile
• hohe Laufruhe
• große Installationsöffnung
• wirkungsvolle kompakte Bremse
• problemloser Parallelbetrieb zweier Motoren
als Einheit
• anschließbar an alle bekannten
Steuerungsmodule
-3-
Wo setzt man Torquemotoren ein?
Industrieroboter
Als wahre Kraftpakete werden die Torquemotoren
heute vor allem als Direktantrieb in Rundtischen oder
als Schwenkachse von Bearbeitungszentren eingesetzt
und führen dort zu entscheidenden Wettbewerbsvorteilen. Darüber hinaus finden sich Applikationen in
Dreh-, Kunststoffspritzgieß- und Holzbearbeitungsmaschinen sowie in der Robotik.
Auch Linearbewegungen werden manchmal sinnvollerweise mit Torquemotoren erzeugt. Ein Beispiel hierfür
stellt die Aufzugstechnik dar, wo das Zugseil über
eine Trommel gelegt wird. Diese Trommel kann der
Außenläufer eines Torquemotors sein, wodurch erheblicher Platz und Aufwand gespart wird.
k
r
a
st
Aber nicht nur im klassischen Maschinen- und Werkzeugbau finden Torquemotoren ihren Einsatz.
Im Fahrzeugbau bietet sich der Torquemotor zum
Beispiel in Verbindung mit Brennstoffzellen oder
Akkumulatoren als idealer Antrieb an.
Antriebseinheit
für Aufzüge
KFZ-Antrieb
-4-
l
l
e
chn
s
A- und C-Achsantriebe
in NC-Fräsköpfen
i
e
r
f
ß
ei
l
h
re sc
v
Rundtische und
Drehschwenktische
h
c
s
mi
a
n
dy
-5-
Wie arbeitet der Torquemotor?
Arbeitsprinzip
Der Torquemotor arbeitet wie ein normaler Synchronmotor. Die Magnete sind in den Innendurchmesser
einer Trommel eingeklebt, die als Antrieb dient. Der
Stator besteht aus einer Vielzahl von Spulen, die in
eine Eisenmatrix eingebracht werden. Diese Spulen
sind im Stern verschaltet und werden mit 3-phasigem
Drehstrom versorgt. Je nach Frequenz ergibt sich die
jeweilige Drehzahl.
Auf Grund der relativ hohen Anzahl von Polen kann ein
hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen erzielt
werden. Durch die besondere Anordnung der Permanentmagnete wird das Rastverhalten minimiert. Da die
Magnete direkt mit den anzutreibenden Elementen
gekuppelt sind, gibt es kein Spiel zwischen sich reibenden Zahnflanken.
Diese Kombination ist - in Verbindung mit vorgespannten Wälzlagern - absolut spielfrei. Je nach verwendetem Meßsystem kann auch die Steifigkeit des Antriebes drastisch erhöht werden, d.h. höhere Leistung
und Präzision. Winkelgeschwindigkeits- und Winkelbeschleunigungswerte verbessern sich erheblich.
Rotor
Zentrierung
Permanentmagneten
Befestigungsbohrung
Bremse
Was ist besonders an den
TorqueTec Torquemotoren?
Wicklungskopf
Statorbleche
Die TorqueTec Motoren sind als Außenläufer mit einzeln gewickelten Spulen konzipiert. Hierdurch wird der
Bauraum in Bezug auf das Drehmoment besonders
effizient ausgenutzt.
O-Ring Nuten
Zentrierbund
Der Einbauraum für den TorqueTec Torquemotor ist
also besonders einfach zu realisieren, da er rotationssymmetrisch ist und auf einer Drehmaschine herzustellen ist.
Statorrahmen
Durch das charakteristische Bauprinzip ist es auch
möglich eine besonders kraftvolle, effiziente Bremse
anzubauen. Sie kann als einfach ausgebildete Buchse
(vom Hersteller mitgeliefert), ohne Aufwand außerhalb
des Rotors angebracht werden.
Stator
-6-
Welche Optionen sind möglich?
Statorkühlung
Die Statorkühlung steht
in zwei Varianten zur
Verfügung: entweder
als mäanderförmige
Kühlbohrungen oder als
innenliegende Kühlwendel.
Lagerung
TorqueTec Motoren
werden mit direkter
Anbaumöglichkeit für
Wälzlagerungen geliefert.
Für Normalanwendungen
steht eine Aufnahme
für Kreuzrollenlager zur
Verfügung. Für Präzisionsanwendungen, z.B. an
NC-Rundtischen, werden
die Motoren mit Lochbild
und Zentrierung für AxialRadiallager geliefert.
Parallelbetrieb mit zwei oder
mehr Motoren
Adaption an alle gängigen
Maschinensteuerungen
-7-2-
Was sind die charakteristischen Merkmale?
Motorleistung
Einbauhinweise
Drehmoment
Das erzielbare Drehmoment ist abhängig von der
Einschaltdauer und der Kühlung. Die Torquemotoren
sind mit einer Wasserkühlung ausgestattet und daher
für höchste Dauerdrehmomente zugelassen. Je nach
Ausführung wird der Stator entweder durch eine innenliegende Kühlwendel oder durch eine mäanderförmig
durchströmte Kühlbohrung gekühlt.
In den technischen Daten ist das zulässige Dauerdrehmoment bei Wasserkühlung und 100°C Wicklungstemperatur angegeben. Kurzzeitig sind Spitzendrehmomente bis zum 3-fachen Dauerdrehmoment
verfügbar. Als Puls-Drehmoment bzw. Puls-Motorstrom
sind in den technischen Daten die Werte angegeben,
die bei einer Pulsdauer von zwei Sekunden zugelassen sind. Bei kürzeren Pulsdauern sind auch höhere
Ströme und Drehmomente möglich. Die Grenze für
diese Ströme ergibt sich durch die Gefahr einer irreversiblen Entmagnetisierung der Dauermagneten,
wobei hier ihre Temperatur eine bedeutende Rolle
spielt. Entsprechende Grenzdaten stellen wir Ihnen auf
Anfrage gerne zur Verfügung.
Umgebungsbedingungen
TorqueTec Motoren können in allen industriellen
Anwendungen eingesetzt werden. Es muß jedoch
verhindert werden, daß Späne aus magnetisierbarem
Material in den Motor gelangen können. Es sollte
außerdem vermieden werden, daß der Motor mit Ölen,
Fetten und Kohlenwasserstoffverbindungen in Kontakt
kommt.
Beschleunigung
Die erzielbaren Beschleunigungswerte von TorqueTec
Torquemotoren sind enorm hoch. Begrenzungen ergeben sich nur aus den mechanischen Festigkeiten der
Maschinenelemente und der Massenträgheit.
Inbetriebnahme
Vor der Inbetriebnahme des Torquemotors müssen
der Steuerung einige wichtige Parameter mitgeteilt
werden. Parametrierungshinweise entnehmen Sie bitte
unserer Homepage.
Drehsteifigkeit
Die erzielbare Drehsteifigkeit eines Torquemotors
hängt vor allem von dem verwendeten Antriebsverstärker und der Auflösung des Drehgebers ab. Ebenso ist
dabei natürlich auch die mechanische Steifigkeit der
tragenden Konstruktion zu berücksichtigen.
Wartung und Verschleiß
TorqueTec Torquemotoren sind nahezu wartungs- und
verschleißfrei. Bei einem temperaturüberwachten Regelkreis gibt es praktisch keine technische Begrenzung der Lebensdauer.
Gehäuse
Das Trägermaterial für den Motor muß so stabil sein,
daß eine Verwindung des Motors nach der Montage
ausgeschlossen ist. Gemäß den Toleranzen des Statorgehäuses sollte der Aufnahmezapfen des Motors
die Toleranzklasse ISO f7 aufweisen.
Frequenzumrichter
Der TorqueTec Torquemotor wird mit handelsüblichen
Frequenzumrichtern mit Lageregler betrieben.
Es muß darauf geachtet werden, daß der Ist-WertEingang des Reglers das Lagegebersignal verarbeiten
kann. Eine aktuelle Liste der verwendbaren Frequenzumrichter finden Sie unter www.torquetec.de.
Laufruhe
TorqueTec Motoren sind sehr laufruhig. Sie unterliegen keinerlei Verschleiß und weisen keine Losen und
Hysterese auf. Die Laufruhe und die dynamische
Stabilität ist für die gesamte Lebensdauer des Motors
garantiert
-8-
Wie wähle ich den geeigneten Motor aus?
Erste Voraussetzung zur Auswahl des geeigneten Motors sollte eine Analyse
der zu erwartenden Beanspruchung sein:
Fall 1 Dauerbetrieb
Ein im Dauerbetrieb arbeitender Motor muss seine
Verlustwärme kontinuierlich an die Umgebung abgeben, damit seine maximale Wicklungstemperatur nicht
überschritten wird. In den technischen Daten sind die
Ströme und die entsprechenden Drehmomente der
Motoren für eine maximale Wicklungstemperatur von
100°C angegeben, wobei eine Wasserkühlung mit
einer Kühlmitteltemperatur von 20°C vorausgesetzt
wird.
Die Wicklungstemperatur wird mittels Temperatursensoren überwacht. Für eine Auswertung in der
Steuerung stehen ein KTY-Sensor sowie drei den
Motorphasen zugeordnete PTCs zur Verfügung. Im
Dauerbetrieb kann von einer gleichmäßigen Belastung
aller drei Motorphasen und damit von einer gleichmäßigen Temperaturverteilung ausgegangen werden. Da
sich die Temperatur vergleichweise langsam ändert,
kann die Überwachung des Motors sowohl mit dem
KTY-Sensor als auch mit den drei PTCs erfolgen. Zur
Erhöhung der Betriebssicherheit empfehlen wir jedoch
die Auswertung beider Sensortypen.
Fall 2 Intervallbetrieb
Im Intervallbetrieb kommt es auf die Größe der Fläche
unter der Belastungskurve des Motors an.
Das effektive Drehmoment wird hier mit der folgenden
bekannten Formel berechnet:
Für den effektiven Motorstrom gilt entsprechend:
Kurzzeitig dürfen Strom und Drehmoment bis zum
Zweifachen der Werte des Dauerbetriebs betragen. Die
effektiven Werte, berechnet nach den obigen Formeln,
dürfen den in den Tabellen angegebenen Wert des
Dauerstroms jedoch nicht überschreiten.
Fall 3 Peakbetrieb
Der Rundtischbetrieb ist ein typisches Beispiel für
den Peak-Betrieb. Hier darf für die Beschleunigung
und Verzögerung bis zum dreifachen Dauermoment
gezogen werden, da zwischen diesen Peaks kaum
Leistung benötigt wird. Auch hier dürfen die effektiven
Werte die des Dauerbetriebs nicht überschreiten.
Da in Abhängigkeit von der Motortemperatur die
Gefahr der Entmagnetisierung der Permanentmagneten besteht, sollten entsprechende Applikationen
und die Auswahl des richtien Motortyps mit unseren
Anwendungsingenieuren besprochen werden.
In den Stillstandphasen
kann es sinnvoll sein die
Bremse zu betätigen.
E-mail Anfragen können Sie unter info@torquetec.de
an uns richten.
-9-
Technische Daten
Dimensionen
Maximaler Motorstrom, S1
RM 166/...
100
Ø DR (mm)
192
Ø dR (mm)
142,5
Ø dM (mm)
60
Ø DM (mm)
122
Ø DL (mm)
166
größenbezogene Konstanten
L (mm)
Wicklungskonstanten
Maximales Drehmoment, S1
Typ RM 166
-10-
157,5
Pulsmoment (Nm)
232
Dauermoment/100°C (Nm)
135
Stillstandsmoment/100°C (Nm)
95
Puls-Verlustleistung/20°C (W)
5482
Dauerverlustleistung/100°C (W)
1333
Motorkonstante/20°C (Nm/√W)
4,2
elektrische Zeitkonstante (ms)
18
therm. Widerstand/100°C (K/W)
Anzahl der Pole
0,06
30
2
Rotor-Trägheitsmoment (kgm )
0,060
Motormasse (kg) ca.
22
Maximaldrehzahl (1/min)
756
Drehmomentkonstante (Nm/Arms)
9,4
Vrms/1000/min
529
Vp/(rad/s)
7,2
Spannungskonstante
Wicklungswiderstand/100°C (Ohm)
2,7
2,5
2,0
Motor-Induktivität (mH)
51
Puls-Motorstrom (A)
42,1
Dauerstrom/100°C (A)
18,1
16,2
Technische Daten
Dimensionen
Wicklungskonstanten
Typ RM 240
-11-
RM 240/...
50
75
100
Ø DR (mm)
286
286
286
Ø dR (mm)
183
183
183
Ø dM (mm)
133
133
133
Ø DM (mm)
182
182
182
Ø DL (mm)
240
240
240
L (mm)
110
135
160
Pulsmoment (Nm)
311
466
621
159
238
318
112
168
225
6816
9187
11557
963
1298
1633
5,9
7,6
9,0
19,8
22,0
23,3
0,08
0,06
0,05
50
50
50
0,141
0,190
0,236
Motormasse (kg) ca.
23
31
38
464
309
262
16,0
23,0
30,0
Vrms/1000/min
863
1294
1525
Vp/(rad/s)
11,6
17,5
20,6
3,4
4,5
5,7
3,2
4,3
5,4
2,6
3,5
4,3
46,7
70,0
93,4
Puls-Motorstrom (A)
42,1
42,1
42,1
13,8
13,8
13,8
12,4
12,4
12,4
Anzahl der Pole
2
Spannungskonstante
Technische Daten
Dimensionen
RM 310/...
50
75
100
Ø DR (mm)
335
335
335
Ø dR (mm)
173
173
173
Ø dM (mm)
173
173
173
Ø DM (mm)
230,4
230,4
230,4
Ø DL (mm)
307
307
307
101,5
126,5
151,5
Pulsmoment (Nm)
443
663
886
214
323
430
152
228
304
9760
13022
16285
1195
1600
2000
7,1
9,2
11,0
21,8
24,5
26,2
0,07
0,05
0,04
60
60
60
0,246
0,313
0,380
Motormasse (kg) ca.
34
46
58
290
187
140
23,0
34,0
45,0
Vrms/1000/min
1377
2137
2850
Vp/(rad/s)
18,6
28,9
38,5
4,8
6,4
8,0
4,5
6,0
7,6
3,6
4,9
6,1
84,2
126,3
168,4
Puls-Motorstrom (A)
42,1
42,1
42,1
12,9
12,9
12,9
11,5
11,5
11,5
L (mm)
Wicklungskonstanten
Typ RM 310
-12-
Anzahl der Pole
2
Spannungskonstante
Technische Daten
Dimensionen
RM 410/...
50
75
100
Ø DR (mm)
442
442
442
Ø dR (mm)
300
300
300
Ø dM (mm)
279
279
279
Ø DM (mm)
333,4
333,4
333,4
Ø DL (mm)
410
410
410
101,5
126,5
151,5
Pulsmoment (Nm)
923
1384
1846
428
641
856
302
454
605
12595
16945
21296
1607
2162
2717
12,2
15,8
18,8
22,6
25,1
26,7
0,05
0,04
0,03
80
80
80
0,445
0,923
1,103
Motormasse (kg) ca.
56
70
87
158
103
79
42,0
63,0
85,0
Vrms/1000/min
2533
3873
5066
Vp/(rad/s)
34,2
52,3
68,4
6,2
8,4
10,5
5,8
7,9
9,9
4,7
6,4
8,0
110,2
165,3
220,4
Puls-Motorstrom (A)
42,1
42,1
42,1
13,1
13,1
13,1
11,7
11,7
11,7
L (mm)
Wicklungskonstanten
Typ RM 410
-13-
Anzahl der Pole
2
Spannungskonstante
Technische Daten
Dimensionen
Wicklungskonstanten
Typ RM 564
-14-
RM 564/...
50
75
100
Ø DR (mm)
596
596
596
Ø dR (mm)
500
500
500
Ø dM (mm)
430
430
430
Ø DM (mm)
487,4
487,4
487,4
Ø DL (mm)
564
564
564
L (mm)
111
136
161
Pulsmoment (Nm)
1813
2827
3772
875
1287
1717
619
910
1214
17317
23300
29282
2222
2900
3757
21,3
27,0
32,0
22,6
25,1
26,7
0,04
0,03
0,02
Anzahl der Pole
110
110
110
1,791
2,344
2,798
Motormasse (kg) ca.
69
91
116
84
56
42
82,0
126,0
170,0
Vrms/1000/min
4787
7183
9577
Vp/(rad/s)
64,7
97,0
129,3
8,5
11,5
14,4
8,0
10,8
13,6
6,5
8,8
11,0
140,9
211,4
281,9
Puls-Motorstrom (A)
42,1
42,1
42,1
13,2
13,2
13,2
11,8
11,8
11,8
2
Spannungskonstante
Glossar
Pulsmoment:
Maximaldrehzahl:
Maximales, für eine Dauer von zwei Sekunden zulässiges Drehmoment.
Dieses maximale Drehmoment steht für dynamische Beanspruchungen
des Motors zur Verfügung und bezieht sich auf den unten definierten
Puls-Motorstrom und eine Magnettemperatur von 20°C.
Bei der Maximaldrehzahl erreicht die induzierte Gegenspannung zwischen zwei Phasen einen Effektivwert von 400V. Diese Drehzahl lässt
sich in etwa mit einem Frequenzumrichter am 400V-Netz ohne
Belastung des Motors erreichen. Höhere Drehzahlen sind aus mechanischer Sicht möglich, erfordern jedoch eine höhere Motorspannung oder
einen Betrieb des Motors im Feldschwächbereich.
Dauermoment (Wasserkühlung, 100°C):
Dauerhaft verfügbares Drehmoment bei einer Kühlmitteltemperatur
von 20°C. Dieses Drehmoment stellt der Motor bei einer gleichmäßigen
Belastung aller drei Phasen zur Verfügung. Dies setzt voraus, dass
die Motorfrequenz aufgrund einer kontinuierlichen Drehung des Motors
mindestens 2Hz beträgt. Zur Berechnung der zugehörigen Drehzahl wird
die Motorfrequenz durch die halbe Anzahl der Magnetpole dividiert.
Drehmomentkonstante:
Die Drehmomentkonstante hängt von der Auslegung des Magnetsystems
und der Statorwicklung ab. Sie ist aufgrund der Sättigung der
Motorbleche im eigentlichen Sinne keine Konstante, sondern nimmt
mit zunehmendem Strom ab. Der angegebene Wert gilt für Motorströme
unterhalb des halben 100°C - Dauerstromes.
Stillstandsmoment (Wasserkühlung, 100°C):
Spannungskonstante:
Bei Stillstand wird in den Motor ein Gleichstrom eingeprägt. Aus diesem
Grund steht im Stillstand nur ein um √2 reduziertes Drehmoment zur
Verfügung. Bei häufigem Betrieb des Motors im Stillstand oder bei sehr
kleinen Drehzahlen muss beachtet werden, dass die Belastung der
einzelnen Phasen sehr unterschiedlich sein kann und sich damit die
Temperaturen von Phase zu Phase stark unterscheiden.
Die Spannungskonstante ermöglicht die Berechnung der induzierten
Spannung in Abhängigkeit von der Drehzahl. Sie ist hier in den beiden
gebräuchlichsten Einheiten angegeben.
Wicklungswiderstand (100°, 80°, 20°):
In den Tabellen sind die Wicklungswiderstände zwischen zwei
Motorphasen angegeben. Sie beziehen sich auf die jeweils aufgeführten
Temperaturen und beinhalten eine Motorleitung von 2 m Länge.
Puls-Verlustleistung:
Verlustleistung des Motorstators bei Puls-Moment und einer
Wicklungstemperatur von 20°C.
Motorinduktivität:
Dauerverlustleistung:
Induktivität der Statorwicklung, gemessen zwischen zwei Motorphasen.
Verlustleistung des Motors bei 100°C Wicklungstemperatur und
Dauermoment.
Puls-Motorstrom:
Der maximale Strom in den Tabellen führt im jeweiligen Motor bei einer
drei Sekunden dauernden Bestromung zu einer Temperaturerhöhung
von 20°C. Die insgesamt erreichte Wicklungstemperatur hängt von
der vorangegangenen Belastung des Motors ab. Bei dynamischer
Belastung des Motors muss mittels geeigneter Einstellung der
Parameter in der Motorsteuerung dafür gesorgt werden, dass die effektive
Belastung des Motors den Dauerstrom bei Wasserkühlung und 100°C
Wicklungstemperatur nicht übersteigt.
Motorkonstante:
Die Motorkonstante stellt das Verhältnis von Dauermoment zur Wurzel
aus der bei diesem Moment gegebenen Verlustleistung dar. Diese
Konstante wird hier auf eine Wicklungstemperatur von 20°C bezogen.
Elektrische Zeitkonstante:
Elektrische Zeitkonstante des Motors. Sie ist das Verhältnis von
Induktivität und Wicklungswiderstand einer Motorphase.
Dauerstrom (Wasserkühlung, 100 und 80°C):
Bei diesen Strömen wird bei Wasserkühlung und einer Kühlmitteltemperatur von 20°C eine Wicklungstemperatur von 100 bzw. 80°C
erreicht. Dabei wird eine gleichmäßige Belastung der drei Motorphasen
vorausgesetzt.
Thermischer Widerstand:
Der thermische Widerstand gibt die Temperaturerhöhung pro Verlustleistung an. Der angegebene Wert gilt bei einer gleichmäßigen
Belastung aller drei Motorphasen und einer Wicklungstemperatur
von 100°C.
Anzahl der Magnetpole:
Anzahl der Magnetpole des Rotors. Das Produkt von halber Polzahl und
der Drehzahl ergibt die Frequenz des Motorstromes.
Rotor-Trägheitmoment:
Das Trägheitsmoment gibt den Widerstand des rotierenden Rotors
gegenüber einer Änderung seiner Drehzahl an.
Motormasse:
Das Eigengewicht der Motoreinheit.
-15-
Warum Direct Drive Motoren?
TorqueTec GmbH
Genossenschaftsweg 2 • D- 52428 Jülich
Tel.: (+49) 2461/57011 • Fax: (+49) 2461 / 57010
www.torquetec.de • E- mail: info@torquetec.de
-2-

Torquemotoren - TorqueTec GmbH, Torquemotoren und

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