Sonderteil Elektromotoren

Autoren

Emanuel Lang

Markus Ingold

beide:

Siemens AG, Process Industries and Drives

Kontakt:

Siemens AG

Werner-von-Siemens-Straße 1

80333 München

Tel.: 0 89 / 6 36-00

E-Mail: contact@siemens.com

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Performanter denn je: Die neue C-Ständerpresse CP-40 der Lindenberg Technics AG mit durchgängiger Auto-

matisierung und „Simotics SD VSD 4000“-Reluktanzmotor

Performance-Schub für Ständerpressen: Reluktanzantrieb trifft Servohydraulik

Wie lassen sich bewährte Maschinen und Anlagen weiter innovieren, sodass sie sich von denen der Mitbewerber kaufentscheidend differenzieren? Mit dieser Frage sah sich auch die Linden-berg Technics AG konfrontiert, als es darum ging, etablierte C-Ständer -pressen fit und wettbewerbsfähig für die digitale Zukunft zu machen. Das Unternehmen aus Altendorf in der Schweiz hat dafür seine bewährte Lösung hinsichtlich Funktionalität, Leistung, Qualität, Bedienkomfort und Kosten auf den Prüfstand gestellt. Und gemeinsam mit seinem lang- jährigen Systemintegrator Späni Elek-tro-Mechanik AG mehrere Ansatz-punkte für Opti mierungen im Be-reich der Steuerungs- und Antriebs-technik ausgemacht. Eine Schlüssel-rolle in der darauf hin gänzlich neu konzipierten Automatisierungs-lösung spielt ein modernes Synchron-reluktanz-Antriebssystem.

Servohydraulik weiter verbessert

Mit ihrer Energy Saving Hydraulic (ESH) haben die Schweizer längst herkömm liche Konstantpumpen, die auch ohne konkreten Ölbedarf der Presse liefen und Energie verbrauch-

Was tun, wenn ein klassischer Asynchronmotor zu träge und ein echter Servomotor für die Anwendung

nicht nötig ist? Ein Schweizer Pressenbauer geht einen innovativen Weg: Er treibt die Servohydraulik

bewährter Ständerpressen nun mit einem geberlos geregelten Synchronreluktanz-Antriebssystem von

Siemens an, macht diese so noch dynamischer, präziser und energieeffizienter. Die Betreiber realisieren

damit deutlich höhere Ausbringung bei reduzierten Kosten. Ein performanter und wirtschaftlicher Ansatz

– auch für diverse andere Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau.

ten, eliminiert. Jetzt haben sie den unge regelten Asynchronmotor darin ersetzt. Durch eine von Haus aus perfekt aufeinander abgestimmte Systemlösung aus einem „Simotics SD VSD4000“-Synchronreluktanz-Motor und einem modularen Frequenzum-richter „Sinamics G120“ von Siemens. Auch diese läuft nur, wenn der Zylin-der tatsächlich bewegt werden muss. Dabei sind die Systemeigenschaften so gut, dass Geschwindigkeit und Druck noch dynamischer und bedarfsgerech-ter direkt über den Reluktanzantrieb der Pumpe geregelt werden.

Das Siemens-System ist neuer Stan-dard an Lindenberg-Ständerpressen der Baureihe CP. Jüngste Ausführung ist eine CP-40 mit 40 Tonnen Presskraft, angetrieben von einer 4-poligen Re -luktanzmaschine mit 5,5 kW Nenn -leistung. Der Anwender presst und stanzt damit hocheffizient unterschiedliche Aluminiumblechteile.

Reluktanzmotor – aus Prinzip performant

Der synchrone Reluktanzmotor ent-spricht – bis auf die fehlenden Perma-

Elektromotoren Sonderteil

Bild 2

Das aufeinander abge-

stimmte System aus

Umrichter „Sinamics

G120“ und „Simotics

SD VSD4000“-Reluk-

tanzmotor (blau) ermög-

licht die hoch perfor-

mante, dynamische

Regelung der Servo-

hydraulik von Linden-

berg.

nentmagnete – physikalisch einer per-manenterregten Synchronmaschine. Im offenen Zustand deutlich sicht -barer Unterschied zwischen einem konventionellen Asynchron- und dem Reluktanzmotor ist der Rotor. Dieser hat weder stromführende Wicklungen noch Permanentmagnete, dafür einen besonderen Blechschnitt mit so -genannten Flusssperren. Reluktanz -motoren arbeiten nach dem schon seit den 1920er Jahren bekannten Prinzip der magnetischen Reluktanz, dem magnetischen Pendant zum elek -trischen Widerstand. Heute jedoch in einer technologisch wie fertigungs-technisch optimierten Ausführung. Drehbewegung und Drehmoment ent-stehen dadurch, dass das System aus Stator und Rotor immer nach dem kleinsten magnetischen Widerstand strebt. Dieser ist durch die eisernen Flussführungsstege des Rotors kleiner als über die durch Luft führenden Flusssperren, was das System durch eine Rotordrehung auszugleichen ver-sucht. In einem umlaufenden Stator-drehfeld dreht sich der magnetlose Rotor folglich kontinuierlich – synchron und schlupffrei. Die Drehzahl lässt sich mit einem Frequenzumrichter auch im unteren Bereich sehr präzise regeln.

Hohe Dynamik für kürzere Taktzeiten

Ein wesentlicher Vorteil des Reluk-tanzmotors gegenüber einem Asyn-chronmotor ist seine hohe Dynamik. Maßgeblich dafür sind das geringe Massenträgheitsmoment des Rotors und dass der magnetische Fluss extrem schnell auf- und abgebaut werden kann. Hinzu kommt die von Siemens speziell auf den Motor abgestimmte Vektorregelung über den gesamten Drehzahlbereich hinweg. Der Antrieb ist geberlos bis zum Stillstand regelbar – „Bei einem Asynchronmotor ist das nur bedingt möglich“, erklärt Ralph Kessler, Mitinhaber der Späni Elektro-Mechanik AG, der die Automati -sierungslösung für Lindenberg mitent -wickelt hat.

Eine dynamischere Regelung be-schleunigt in diesem Fall den Pumpen-anlauf, damit die Reaktionszeiten der Presse, beispielsweise beim Um -schalten von Eil- auf Schleichgang oder in den Endlagen verkürzt werden. Eine exakte Regelung auch bei niedrigen Drehzahlen ermöglicht einen präzi -seren Nach- oder Haltedruck. An den Lindenberg-Pressen wird dies durch

einen Kraftaufnehmer unterstützt, der in dieser Pressenkategorie nicht üblich ist. In Summe führt dies zu konstant hoher Prozess- und damit Teilequalität bei kürzeren Zykluszeiten. Betreiber realisieren damit deutlich höhere Hubzahlen, sprich ein Plus an Produk-tivität.

„Die wesentlich besseren dynami-schen Eigenschaften waren ausschlag-gebend für den Einsatz des Synchron -reluktanz-Antriebssystems von Siemens an unseren Ständerpressen“, sagt André Kälin, Mitinhaber und Ge-schäftsführer Lindenberg Technics AG. „Die Ergebnisse sprechen für sich, weshalb wir bereits weitere Appli -kationsmöglichkeiten in unserem Produkt spektrum untersuchen.“

Robust und einfach in der Anwendung

Der einfache, robuste Aufbau macht den Reluktanzmotor zu einer lang -lebigen Alternative auch für diverse andere Anwendungen. Aufgrund der fehlenden Rotorwicklung hat der Mo-tor sehr gute thermische Eigenschaften

und überhitzt selbst dann nicht, wenn er dauerhaft 20 % überlastet wird. Da-durch ist in den meisten Fällen keine Fremdbelüftung erforderlich. Der Syn-chronreluktanz-Motor kommt ohne Permanentmagnete aus, somit kann der Rotor ohne aufwendig und kost-spielig zu gewinnende Seltene-Erden-Metalle aufgebaut werden. Ein magnet -freier Rotor lässt sich zudem einfach warten, beispielsweise für einen Lager-tausch.

Die Hauptabmessungen und Mon -tagepunkte der Simotics SD VSD4000- Reluktanzmotoren entsprechen denen vergleichbarer Norm-Asynchronmo-toren. Damit können vorhandene Asynchronmotoren einfach ohne kon-struktive Änderungen an der Maschine ersetzt werden.

Energieeffizient auch im Teillastbetrieb

Der Wirkungsgrad des Antriebssystems übertrifft deutlich die Anforderungen der höchsten Systemwirkungsgrad -klasse IES2. Am stärksten macht sich die Effizienzsteigerung im Vergleich zu

einem Asynchronmotor der Effizienz-klasse IE4 im Teillastbetrieb bemerkbar. „Das reduziert die Betriebskosten noch einmal deutlich“, prognostiziert André Kälin.

Fit für die Digitalisierung

Ein für die digitale Zukunft im industriellen Umfeld wesentliches Detail ist der DataMatrix-Code auf dem Typenschild des Simotics SD VSD4000-Re luktanzmotors. In Ver-bindung mit der Simotics Digital Data App eröffnet dieser Anwendern immer und überall Zugang zu rele-vanten Informationen. Durch das Scannen des Codes erhalten sie die passenden elektrischen und mecha -nischen Daten sowie Service- Informationen und Betriebsanleitun-gen für ihren Motor. Das vereinfacht die Inbetriebnahme, die Montage und auch den Service maßgeblich.

Automatisierungslösung aus einer Hand

Gesteuert wird der Pressenbetrieb von einer SPS Simatic S7–1500 mit fehler -sicherer CPU in der Aufbautechnik des dezentralen Peripheriesystems Simatic ET200SP. Das vereinfacht die Pressen -hydraulik weiter, weil klassische Ventil-technik nur noch zum Umschalten der Stößelrichtung und Ableiten bei Über-druck nötig ist. Die Steuerung über-nimmt auch die normenkonforme Umsetzung sicherheitsgerichteter Auf-gaben. Lindenberg realisiert damit unter anderem die Funktion „Safely Limited Speed“ (SLS), um beim ein -händigen Bedienen per Joystick am Bedien panel die Geschwindigkeit auf den zulässigen, sicheren Wert zu be-grenzen. Eine weitere Kernkomponente ist ein 19-Zoll-„Simatic Pro Flat“-Panel für komfortables Bedienen und Beob-

achten. Damit lassen sich Prozess -parameter individuell anpassen und Kraft-Weg-Kurven übersichtlich dar-stellen. Aufgezeichnete Prozessdaten können über die USB-Schnittstelle ein-fach exportiert und ausgewertet wer-den. Auch ein Zugriff zur Fernwartung und -diagnose ist möglich.

Mehrwert für diverse Anwendungen

Das beschriebene Antriebssystem aus Simotics SD-Reluktanzmotor und Si-namics G120 erfüllt die speziellen An-forderungen von Lindenberg an eine zeitgemäße, in Zeiten der Digi -talisierung zukunftsfähige Pressen -servohydraulik.

Mit all diesen Vorteilen ist das Syn-chronreluktanz-Antriebssystem prädes -tiniert für diverse Anwendungen im

Maschinen- und Anlagenbau, die eine gewisse Dynamik erfordern, für die ein hoch performanter Servoantrieb jedoch nicht nötig wäre. Insbesondere für den Einsatz an „drehendem Equip -ment“ wie Pumpen, Lüftern und Kom pressoren, aber auch in der Fördertechnik sowie im allgemeinen Maschinenbau. Derzeit deckt das Spektrum den Leistungsbereich von 0,55 bis 45 kW ab.

Noch höhere Performance realisiert das Synchronreluktanz-Antriebssystem an einem Umrichter Sinamics S120 mit der „Advanced Reluctance Control Licence“. Damit sind auch spezielle Aufgaben wie schnelles Ausregeln im Stillstand kosteneffizient umsetzbar, beispielsweise Anfahren gegen Druck, feinfühliges Regeln des Drucks bei kleinen Drehzahlen oder Fahren gegen einen Federdruckspeicher.

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Entscheidend für die hohe Dynamik und Robustheit sind die für jede Motorgröße optimierten Blechschnitte mit

sogenannten Flusssperren, die sich heute sehr wirtschaftlich fertigen lassen.

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