Die „goldene Mitte“?

13. Februar 2008, 0:00 Uhr | Günter Herkommer

Konstrukteure von Maschinen und Anlagen müssen sich oft zwischen Asynchronmotoren und Servoantrieben entscheiden. Mit dem Sinochron-Motor hat ABM Greiffenberger ein alternatives Konzept entwickelt, welches die Vorzüge der beiden bekannten Antriebssysteme in sich vereint und einen geberlosen Betrieb ermöglicht.

Die Hauptkennzeichen der neuen Elektromotoren-Bauart erschließen sich bei näherer Erklärung des Namens: Es handelt sich um einen SynCHRONmotor mit Hochleistungs-Permanentmagneten, der eine SINusförmige Flussverteilung aufweist. Um dies zu erreichen, verwendet ABM Greiffenberger weiterhin den Stator des Asynchronmotors; der Rotor hingegen ist eine Neuentwicklung mit innen liegenden Magneten und ausgeprägten Polschuhen. Im Zusammenspiel mit der Drehstromwicklung im Stator wird durch diese besondere Läuferkonstruktion eine sinusförmige Flussverteilung erzeugt, gegenüber trapezförmigen Verläufen bei Rotoren mit Oberflächenmagneten und Stator-Einzahnwicklungen, wie sie bei handelsüblichen Synchron-Servomotoren Anwendung finden.

 

Wolfgang Benzing: „Die Verlustleistung des Sinochron-Motors ist bis zu 40% geringer als die eines Asynchronmotors.”œ
Wolfgang Benzing: „Die Verlustleistung des Sinochron-Motors ist bis zu 40% geringer als die eines Asynchronmotors.”œ

Die für den Betrieb der Motoren erforderlichen Drive-Controller sind speziell auf die Eigenschaften der Sinochron-Technologie abgestimmt und bilden die zu ermittelnden Werte aufgrund der Motorparameter in der Controller-Software ab. Die dort implementierten sensorlosen Algorithmen zur Erkennung der Rotorlage und Polarität ermöglichen den Start des Motors aus der aktuellen Position. Andere Verfahren prägen einen Stromvektor ein, worauf sich der Rotor ausrichtet. Diese undefinierte Bewegung kann in bestimmten Anwendungen unerwünscht sein. Weiterhin dienen die Algorithmen der Erkennung der Rotorlage bei niedrigen Drehzahlen, bei denen die Gegen-EMK (EMK, elektromotorische Kraft) noch zu gering ist. In diesen Fällen erfolgt die Auswertung des sinusförmig ausgeprägten Induktionsverlaufes über der Winkellage des Rotors mittels hochfrequenter Testimpulse aus der Strom-Antwort.

„Auf diese Weise erkennt das System die Rotorlage bis auf ± 5° elektrisch genau – das ist absolut ausreichend für Antriebe, bei denen ein Drehzahlstellbereich bis 1:1000 beziehungsweise eine mittlere Positionsgenauigkeit gefordert ist“ – so Wolfgang Benzing, Leiter Applikationstechnik bei ABM Greiffenberger Antriebstechnik. Eine mechanische Rotorlage-Erkennung zum Beispiel über Resolver oder Hall-Sensoren erübrigt sich damit. Des Weiteren ermögliche die neue Rotor-Bauart bei gleicher Leistung rund 30% kompaktere Abmessungen im Vergleich zum Asynchron-Motor sowie eine etwa doppelt so hohe kurzzeitige Überlastbarkeit. Somit könne der Anwender in vielen Fällen auf eine kleinere Motorbauform gehen. Durch die Verlagerung bisheriger Hardware-Funktionen auf die Software kann er zudem auf eine Antriebskomponente verzichten und spart somit weiteren Bauraum sowie Kosten – im Vergleich zu einem Servomotor mit Geber rund 20 %.

Der Rotor des Sinochron-Motors: Kennzeichnend für die neue Bauart sind die innen liegenden Magnete und ausgeprägte Polschuhe.
Der Rotor des Sinochron-Motors: Kennzeichnend für die neue Bauart sind die innen liegenden Magnete und ausgeprägte Polschuhe.

Ergänzend zum Motor-Controller für die Drehzahl- und Drehmomentregelung ist in die Regel-Einheit ein „Advanced Controller“ integriert, den ABM Greiffenberger mit kundenspezifischen Anwendungsfunktionen programmiert. Das angepasste Drehmoment- und Drehzahlverhalten sowie ein auf die Anforderungen abgestimmtes Bremsmoment ermöglichen somit eine optimale Beschleunigung sowie ein präzises Verzögern und Positionieren bei Drehzahlen bis über 10 000 Umdrehungen pro Minute. Zwar ist mit dem beschriebenen Rotorkonzept nach Aussage von Wolfgang Benzing nicht ganz die hohe Leistungsdichte von Servomotoren erreichbar; die Vorteile liegen jedoch in deutlich geringeren Nut-Rastmomenten (cogging) und damit verbundenen hervorragenden Rundlaufeigenschaften bei geringeren Drehzahlen.

Hohe Zuverlässigkeit und Effizienz

Neben dem platzsparenden Einbau, der Kostenersparnis und der einfachen Anschlusstechnik verspricht der sensorlose Antrieb mit Sinochron-Motor weitere Vorteile. So schafft der Verzicht auf den Rotorlage-/Drehzahlsensor nach Aussage des Herstellers die Voraussetzung für eine höhere Zuverlässigkeit des Antriebssystems. Da die Rotorlage in jeder Position erkannt wird, der Rotor also beim Start nicht ausgerichtet werden muss, kommt es beim Anlauf des Antriebs nicht zu unkontrollierten Motorbewegungen.

Den Vorteilen in punkto Wirkungsgrad und Leistungsdichte des Sinochron-Motors gegenüber dem Asynchron-Motor stehen lediglich höhere Initialkosten gegenüber, die sich jedoch über den Lebenszyklus betrachtet schnell amortisieren.
Den Vorteilen in punkto Wirkungsgrad und Leistungsdichte des Sinochron-Motors gegenüber dem Asynchron-Motor stehen lediglich höhere Initialkosten gegenüber, die sich jedoch über den Lebenszyklus betrachtet schnell amortisieren.

Nicht zuletzt punktet das Sinochron-Konzept gegenüber dem Asynchronmotor in punkto Energie-Effizienz – im Bereich der Antriebstechnik derzeit ein viel diskutiertes Thema. Während zum Beispiel ein 4-poliger Asynchronmotor mit einer Bemessungsleistung von 0,75 kW und einer Synchrondrehzahl von 1500 U/min in der Ausführung mit Aluminiumrotor nach Angaben von ABM einen Wirkungsgrad von 76,1% aufweist (mit Kupferrotor 79,5%), bringt es der Sinochron-Motor im geberlosen Betrieb bei gleicher Leistung auf 84,5%. Damit übertrifft er sogar die Vorgaben der höchsten Effizienzklasse „Premium Class“ nach der Norm EN 60034-30, deren Einführung zurzeit in Vorbereitung ist. Die sich daraus ergebenden Einsparungen kompensieren auch die relativen Mehrkosten des Sinochron-Motors in Höhe von rund 23% im Vergleich zum Asynchronmotor mit Aluminiumrotor. Mit anderen Worten: Über den gesamten Life-Cyle betrachtet fällt die Kostenbilanz deutlich zugunsten des Sinochron-Motors aus.

Das Einsatzspektrum des neuen Antriebskonzeptes reicht von Textil- und Verpackungsmaschinen, bei denen ein sanftes Anfahren und Bremsen gewünscht ist, über die Förder- und Handhabungstechnik – hier ist die Eigenschaften der Sinochron-Motoren gefragt, bei Drehzahl Null das volle Stillstandsmoment zu bieten – bis zu Nebenantrieben in Bau- und Landmaschinen. Auch spezielle Funktionen wie zum Beispiel eine elektronische Welle oder eine Gleichlaufregelung ohne integralen Fehler sind mit geringem Aufwand realisierbar. Da die Antriebe im Feldschwächbetrieb arbeiten können, sind zudem Anwendungen möglich, bei denen eine konstante Leistung gefragt ist – zum Beispiel Wickel- oder Fahrantriebe.