Het geval voor holle-as koppelmotoren

De machineontwerper van vandaag moet meer factoren dan ooit evalueren bij het benaderen van een nieuw project. Evenzo heeft de integrator en retrofit-engineer de opties uitgebreid, niet alleen als gevolg van nieuwe technologieën, maar ook vanwege kritieke aandachtsgebieden zoals een lager energieverbruik, snellere montagetijd, een kleinere leverancier en een kleinere footprint.

Op het gebied van motion control heeft één type motor met een relatief korte geschiedenis aanzienlijke vooruitgang geboekt die een nieuwe kijk op zijn potentieel in veel toepassingsgebieden noodzakelijk maken. Deze toepassingen variëren van draaitafels voor werktuigmachines tot verschillende machines voor het verpakken, bedrukken, converteren, extruderen, papier maken, plastic folie en materiaalbehandeling, overal moet de richting worden omgekeerd met een zeer hoge mate van nauwkeurigheid, geen speling (hysterese) en het behoud van beweging controle, in tegenstelling tot de noodzakelijke ontkoppeling van een conventionele motor en versnellingsbak.

Betreed de vaak over het hoofd geziene permanentmagneet, synchrone koppelmotor.

Koppelmotoren zijn directe aandrijvingen die zijn gebouwd voor roterende assen waar een hoog koppel en hoge precisie vereist zijn bij relatief lage snelheden. Met aanzienlijk kortere installatietijd, onderhoudsvereisten, aantal onderdelen en beschikbare ruimte, zijn deze motortypes vaak haalbare alternatieven voor motorreductoren.

Er bestaan ​​tegenwoordig twee populaire varianten van koppelmotoren. Ze zijn de complete koppelmotor, die alleen directe flensmontage op de machine en aansluiting van de rotor op de machineas vereist, en de ingebouwde koppelmotor, waarbij de stator en rotor worden geleverd als afzonderlijke componenten die direct zijn geïntegreerd in de machinemechanica.

Complete koppelmotoren worden vaak aangetroffen op hoofdaandrijvingen van extruders, toevoerkoppen op spuitgietmachines, rolaandrijvingen op papiermachines, draadtrekapparaten, weefselstrekmachines en wikkelaars/kruissnijders op verpakkingen apparatuur.

Ingebouwde koppelmotoren worden meestal gebruikt op draaitafels voor werktuigmachines, zwenkassen, dynamische gereedschapsrevolver en draaispillen, evenals op drukperscilinders, koelrollen in gietfilm- en folierekmachines, indexeertafels in metaalvormpersen en alle andere typen van zeer dynamische, zeer nauwkeurige toepassingen voor pad- en snelheidsregeling.

Beide typen koppelmotoren hebben een holle as, waardoor media of mechanische componenten door de rotorholte kunnen worden geleid.

Koppelmotoren zijn synchrone motoren met meerdere paren, vergelijkbaar met roterende synchrone servomotoren. De rotor is uitgerust met permanente magneten, terwijl de stator de motorwikkelingen bevat. Het hoge aantal poolparen leidt tot een ontwerp dat bij lage snelheden een hoog maximumkoppel genereert. In het verleden, aangezien wervelstroomverliezen toenemen met het aantal poolparen en de loopsnelheid van de motor, werden koppelmotoren alleen toepasbaar geacht bij relatief lage snelheden. Nieuwe watergekoelde ontwerpen hebben dit principe tegengegaan, waardoor een hoge vermogensdichtheid mogelijk is. De huidige koppelmotoren zijn geschikt voor snelheden van 1000 tpm of hoger.

Als resultaat van deze ontwerpen met hogere poolparen en omdat veel mechanische krachtoverbrengingscomponenten die speling, hitte, wrijving en geluid genereren, zijn geëlimineerd, bieden koppelmotoren ontwerpers de volgende voordelen:

• kleine voetafdruk door hoge koppeldichtheid;
• uitstekende rotatienauwkeurigheid en herhaalbaarheid dankzij directe belastingcontrole;
• ruimtebesparende machineontwerpen door het wegvallen van tandwielkasten en riemoverbrengingen;
• weinig onderhoud een direct gevolg van minder mechanische onderdelen in de aandrijflijn; en,
• hoge energie-efficiëntie omdat mechanische verliezen in de aandrijflijn worden geëlimineerd.

Hoewel de kosten hoger zijn dan motorreductoren, wordt momenteel geschat dat koppelmotoren de ontwerper een terugverdientijd van drie tot vier jaar bieden aan energiebesparingen alleen, waarbij de onmiddellijke verbeterde prestaties en kostenbesparingen vooraf, zowel bij installatie als onderhoud, niet zijn inbegrepen. Duidelijke leveranciersreductie en voorraadvoordelen worden ook gerealiseerd door het gebruik van deze motoren.

Op een typische meerlaagse geblazen filmlijn, bijvoorbeeld, kan het gebruik van koppelmotoren de voetafdruk van de extrusiesectie met de helft verminderen en neemt de verbruikte productieruimte dienovereenkomstig af, wat leidt tot een toename van de productiesnelheden per vierkante voet.

Van koppelmotoren werd ook lang gedacht dat ze gevoelig waren voor chemische en andere atmosferische vervuiling, maar nieuwe ontwerpen zijn aangepast om corrosieve atmosferen te weerstaan, zoals een droge kap van een papierfabriek en, omdat ze watergekoeld zijn, presteren ze naar tevredenheid in veel ruwe omgevingen zonder hitte schade. Behuizingen zijn beschikbaar tot een IP54-classificatie met overbelastingscapaciteit tot 2,5 keer het nominale koppel.

Koppelmotoren verminderen mechanische efficiëntieverliezen tot een absoluut minimum omdat ze mechanische overbrenging in de aandrijflijn elimineren. Vergeleken met oplossingen met motorreductoren ligt de efficiëntiewinst doorgaans in het bereik van 10 procent, terwijl de winst dichter bij 70 procent ligt wanneer hydraulische motoren worden vervangen in toepassingen zoals spuitgietmachines. Verder wordt door de directe en constante controle van de lastas op koppelmotoren, zonder dat er speling of ontkoppeling optreedt, een aanzienlijk hogere bewegingsprecisie bereikt, wat niet mogelijk is in een tandwiel- of riemaangedreven oplossing.

Bij de productie van gestrekte folie heeft de toepassing van koppelmotoren op koelrollen, trekrollen, rekrollen en wikkelaars bijvoorbeeld geleid tot een dramatische verbetering van de productiekwaliteit. De nauwkeurigere snelheidsregeling van de direct aangedreven rollen resulteert in een snellere opstart tijdens de omschakeling van het ene folieproduct naar het andere, omdat de kans op scheuren in de baan wordt geminimaliseerd. Bovendien maakt de hogere regelnauwkeurigheid de productie mogelijk van een dunnere film die 10 keer consistenter is in dikte. Evenzo maakt de stijve aandrijflijnconfiguratie die wordt bereikt met koppelmotoren, sneller op en neer rijden in cyclische toepassingen mogelijk, wat leidt tot kortere cycli en een verhoogde productoutput in dezelfde periode. In veel toepassingen met zeer korte cyclische tijden, zoals indexeringstafels of spuitgietmachines, heeft de omschakeling van conventionele aandrijvingen naar direct aangedreven oplossingen geleid tot productieverhogingen van 25 tot 30 procent. Deze resultaten geven aan dat een lager aantal componenten nu lagere productlevenscycluskosten betekent, evenals lagere potentiële uitvalpercentages in het veld.

Andere kenmerken van de hedendaagse koppelmotoren die ze aantrekkelijker maken voor de machine-ontwerper zijn:

• absolute waarde of incrementele encoders of resolvers voor verbeterde
  motion control
• elektronisch naamplaatje voor snellere inbedrijfstelling
• horizontale of verticale montage-opties
• lageropties voor toepassingen met axiale stuwkracht
• PTC-weerstanden in elke fase, naast standaard KTY-thermistors voor optimale temperatuurbewaking

De opkomende wetenschap van mechatronica is ook van cruciaal belang voor directe aandrijvingen zoals koppel- en lineaire motoren in het integratieproces, omdat de elektronische machinebesturingsprotocollen zo cruciaal zijn bij het bewaken en uitvoeren van de elektromechanische bewegingen. Een grondige kennis van drie disciplines (mechanische, elektrische en elektronische engineering) is van fundamenteel belang bij het bepalen van de juiste eenheid voor de belasting. Mechatronica behandelt onderwerpen voor de machinebouwer als de juiste locatie van de encoder, berekening van reactie versus dynamische kracht en hoe een hoogdynamische directe aandrijving het beste mechanisch in de machine kan worden geïntegreerd.

Bovendien kunnen door middel van verschillende geavanceerde computersimulatietechnieken mechatronische prestaties worden gevalideerd en kan het oplossen van problemen met het ontwerp worden bereikt voordat de eerste machine ooit wordt gebouwd. Zelfs in het veld, voor en na een retrofit of revisie, kunnen de mechatronische diensten die momenteel beschikbaar zijn, worden gebruikt voor het bepalen van producttoepassingen, volledige prestatieanalyse en compatibiliteit van besturingen. Hoewel de prestaties van een nieuwe motor of aandrijving op basis van mechatronische analyse bevredigend kunnen worden geacht, kunnen andere mechanische, elektrische of elektronische componenten ontbreken. Het is precies deze alomvattende, geïntegreerde benadering die mechatronica snel een plaats in het algemene schema van machineontwikkeling en -gebruik bezorgt.

Samenvattend, met de huidige nadruk op kostenbeheersing, energie-efficiëntie en hogere productiviteit bij elk type machineontwerp, is het absoluut noodzakelijk dat alle haalbare opties worden onderzocht. Bij het ontwerpen van de aandrijflijn op veel machines zullen de voordelen van koppelmotoren die in dit document worden beschreven een positieve invloed hebben op de algehele projectresultaten. Koppelmotoren kunnen een grote flexibiliteit bieden bij het ontwerpen, aanpassen en herbouwen van toepassingen, en ze hebben uitgebreide mogelijkheden die lobbyen voor implementatie op meer soorten machines.

Neem voor meer informatie over koppelmotoren contact op met Siemens Industry Inc., Drive Technologies – Motion Control, via telefoon (847-640-1595), e-mail [email protected] of het web (www.usa.siemens.com /motioncontrol).

Vier foto's hierboven:Torquemotoren met holle as bieden verschillende opties voor ontwerpintegratie in combinatie met geavanceerde prestatiekenmerken voor meer energie-efficiëntie, substantiële vermindering van componenten en aanzienlijk kleinere voetafdrukken in de aandrijflijnen van moderne machines.

Vier foto's hieronder:Typische toepassingen voor de hedendaagse geavanceerde koppelmotoren zijn a) plastic filmgietmachines, b) drukpersen, c) conversieapparatuur en d) draaitafels voor bewerkingsmachines.