Die Wahl des richtigen Servomotors für Ihre industrielle Anwendung ist entscheidend für das richtige Gleichgewicht von Funktionalität, Zuverlässigkeit und natürlich Kosten.
Die Wahl des falschen Motors kann zu Leistungseinbußen (wenn er überhaupt funktioniert), Schäden an Zusatzgeräten, Systemausfällen und in weiterer Folge zu Qualitätsproblemen bei den von Ihnen angebotenen Waren oder Dienstleistungen führen.
In diesem Artikel befassen wir uns mit den verschiedenen Arten von Servomotoren und der Auswahl des richtigen Motors, damit Sie das beste Preis-Leistungs-Verhältnis in Bezug auf Funktionalität und Zuverlässigkeit erhalten.
Was ist ein Servomotor?
Servomotoren sind hochpräzise elektromechanische Geräte, die zur Bewegungssteuerung von Industriemaschinen eingesetzt werden.
Sie funktionieren nach denselben Grundprinzipien wie herkömmliche Elektromotoren, d. h., sie erzeugen durch Erregung von Statorspulen ein Magnetfeld, das einen Rotor antreibt. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Servomotoren über Rückführsysteme verfügen, in der Regel in Form von Encodern oder Resolvern, die Geschwindigkeit, Drehmoment und Position überwachen.
Diese Daten werden an einen Controller gesendet, der den Betrieb des Motors mithilfe von Algorithmen wie der PID-Regelung anpasst. Das Ergebnis ist ein geschlossener Regelkreis, der Fehler in Echtzeit korrigiert und eine präzise Bewegung gewährleistet. Aufgrund dieser Kontrollebene sind Servomotoren in der Robotik, bei CNC-Maschinen und in der hochpräzisen Automatisierung unverzichtbar.
Wie wählt man den richtigen Servomotor aus?
Aus technischer Sicht hängt die Wahl des Servomotors weitgehend von den Anforderungen der Hardware ab, die er bewegen soll. Zu diesen Anforderungen gehören verschiedene Drehmomente, Drehzahlen, Spannungen, Positioniergenauigkeit und andere Leistungskennzahlen, auf die wir im folgenden Abschnitt näher eingehen werden.
Bestimmen des Drehmoments
Der erste Schritt bei der Auswahl des richtigen Servomotors für Ihre Bedürfnisse ist die Bestimmung des erforderlichen Drehmoments, das Sie für den Antrieb Ihres Antriebs benötigen.
Das Drehmoment ist das Rotationsäquivalent der Kraft und gibt, laienhaft ausgedrückt, an, wie viel Drehkraft Ihr Motor aufbringt, wenn er sich um eine Achse (oder in diesem Fall die Welle) dreht.
Wenn Sie eine Trinkwasserflasche aufschrauben, ist es das Drehmoment, das den Deckel entfernt. Wenn Sie ein zu geringes Drehmoment anwenden, lässt sich der Deckel nicht bewegen. Bei einem zu hohen Drehmoment kann der Deckel zerbrechen, oder Sie können sich selbst versichern.
Es ist von entscheidender Bedeutung, die Anforderungen an das Drehmoment zu kennen, denn wie bei der Wasserflasche gilt: Wenn Sie nicht genügend Drehmoment aufbringen, wird das Objekt, das Sie zu drehen versuchen, nirgendwo hingehen (es wird abgewürgt). Wenn Sie dagegen ein zu hohes Drehmoment aufbringen, kann dies zu Schäden an der Maschine führen.
Die grundlegende Drehmomentformel lautet wie folgt:
T = F x r
Wo:
T= Drehmoment (gemessen in Nm, für SI-Einheiten)
F = Kraft (normalerweise in N gemessen)
R = der Radius oder Hebelarm (normalerweise in Metern gemessen)
Bei der Auswahl eines Servomotors ist eine Vielzahl verschiedener Drehmomente zu berücksichtigen, aber die drei wichtigsten sind das Dauerdrehmoment, das Spitzendrehmoment und das Beschleunigungsdrehmoment. Diese beschreiben, wie der Servomotor unter gleichmäßiger Last arbeitet, kurze Laststöße bewältigt und auf Geschwindigkeitsänderungen reagiert.
Kontinuierliches Drehmoment
Das Dauerdrehmoment ist das Drehmoment, das ein Servomotor konstant liefern muss, ohne zu überhitzen oder Leistungseinbußen zu erleiden. Es stellt das Dauerdrehmoment dar, das erforderlich ist, um das System unter normalen Bedingungen am Laufen zu halten.
Zur Berechnung des Dauerdrehmoments (TFortsetzung) die Summe der Drehmomente aus allen äußeren Kräften, einschließlich Schwerkraft und Reibung:
TFortsetzung = Textern + TSchwerkraft + TReibung
wo:
Textern berücksichtigt die angewandten Lasten (z. B. Förderbänder, Roboterarme).
TSchwerkraft = Fg × r, wobei Fg ist die Gravitationskraft und r ist der Hebelarm.
TReibung ist für den Systemwiderstand verantwortlich.
Spitzendrehmoment
Das Spitzendrehmoment ist das maximale Drehmoment, das ein Servomotor für kurze Zeitspannen erzeugen kann, ohne Schaden zu nehmen. Es wird benötigt, um plötzliche Laständerungen zu bewältigen, z. B. beim Anfahren von Bewegungen, beim Umgang mit Stoßkräften oder bei vorübergehenden Widerstandsspitzen. Im Gegensatz zum Dauerdrehmoment, das unbegrenzt aufrechterhalten werden muss, wird das Spitzendrehmoment nur für kurze Momente benötigt.
Zur Berechnung des Spitzendrehmoments (TSpitze):
TSpitze = TFortsetzung + TBeschleunigung
wo:
TFortsetzung ist das für einen gleichmäßigen Betrieb erforderliche Dauerdrehmoment.
TBeschleunigung ist das Beschleunigungsmoment und wird im Folgenden erläutert.
Beschleunigung des Drehmoments
Das Beschleunigungsdrehmoment ist das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Geschwindigkeit eines Systems zu ändern, sei es beim Anfahren aus dem Stillstand oder bei der Erhöhung der Geschwindigkeit während des Betriebs. Es ist entscheidend für Anwendungen, bei denen der Motor auf schnelle Geschwindigkeitsänderungen reagieren oder die Trägheit schnell überwinden muss.
Diese Art von Drehmoment hängt in hohem Maße vom Trägheitsmoment (J) des Systems ab, das den Widerstand eines Objekts gegen Änderungen seiner Drehzahl darstellt, sowie von der Winkelbeschleunigung (a), der Geschwindigkeit, mit der sich die Drehzahl des Motors ändert.
Zur Berechnung des Beschleunigungsmoments (TBeschleunigung):
TBeschleunigung = J × a
Die Wahl eines Motors mit einem angemessenen Beschleunigungsmoment gewährleistet eine sanfte und präzise Geschwindigkeitsanpassung ohne Belastung oder Instabilität.
Reibungsdrehmoment
Reibungsdrehmoment ist der Widerstand, der entsteht, wenn sich zwei Oberflächen gegeneinander bewegen, und der ein zusätzliches Drehmoment erfordert, um ihn zu überwinden. Es entsteht durch den Kontakt zwischen beweglichen Teilen innerhalb eines mechanischen Systems, wie z. B. Lagern, Zahnrädern oder Wellen. Der Reibungswiderstand hängt von Faktoren wie dem Oberflächenmaterial, der Schmierung und der Normalkraft zwischen den Oberflächen ab. Das Reibungsmoment kann den Wirkungsgrad des Motors erheblich beeinträchtigen und zu Energieverlusten und Wärmeentwicklung führen.
Zur Berechnung des Reibungsmoments (TReibung):
TReibung = μ × Fnormal × r
Dabei ist μ der Reibungskoeffizient, Fnormal ist die Normalkraft, und r ist der Radius oder der Abstand vom Drehpunkt.
Die Minimierung der Reibung durch richtige Schmierung und Materialauswahl kann dazu beitragen, das Reibungsdrehmoment zu reduzieren und so die Leistung und Lebensdauer des Motors zu erhöhen.
Externe Kräfte
Externe Kräfte beziehen sich auf die externen Lasten oder Widerstände, die ein Servomotor überwinden muss, um seine Aufgabe zu erfüllen. Diese Kräfte können mechanische Lasten (wie Gewicht oder Reibung von beweglichen Teilen), externe Störungen (wie Vibrationen oder Stöße) und Umweltfaktoren (wie Wind oder Wärmewiderstand bei Außenanwendungen) umfassen. Das Drehmoment, das zur Überwindung dieser äußeren Kräfte erforderlich ist, hängt von der Größe und Richtung der Last sowie vom Abstand zur Drehachse des Motors (Hebelarm) ab.
Zur Berechnung des Drehmoments aus äußeren Kräften (Textern):
Textern = F × r
Dabei ist F die von außen wirkende Kraft und r der Abstand vom Drehpunkt oder der Achse.
RMS-Drehmoment
Das mittlere quadratische Drehmoment (RMS) ist ein Maß für das effektive oder gleichwertige konstante Drehmoment, das ein Motor im Laufe der Zeit erzeugt, wobei die während des Betriebs auftretenden Schwankungen des Drehmoments berücksichtigt werden.
Das RMS-Drehmoment ist besonders nützlich für Motoren, die mit variablen Lasten oder Drehzahlen betrieben werden, da es eine genauere Darstellung der kontinuierlichen Arbeitslast des Motors im Vergleich zum Durchschnitts- oder Spitzendrehmoment liefert. Der Effektivwert hilft bei der Beurteilung der Motorleistung und des Wärmemanagements und stellt sicher, dass der Motor innerhalb sicherer Grenzen ohne Überhitzung arbeitet.
Zur Berechnung des RMS-Drehmoments (TRMS):
TRMS= √( (T₁² + T₂² + ... + Tn²) / n )
Wobei T₁, T₂, ..., Tn sind die Momentanwerte des Drehmoments in einer Periode und n ist die Gesamtzahl der Werte.
Zur Bestimmung des kontinuierlichen Drehmomentbedarfs sollte die Wurzel-Mittel-Quadrat-Berechnung verwendet werden, die jedoch ohne ein Software-Tool sehr aufwändig ist, insbesondere bei größeren Werten von n und längeren Zeiträumen.
Geschwindigkeit bestimmen
Die Wahl der richtigen Drehzahl für Ihren Servomotor ist entscheidend für die Erfüllung der Anforderungen Ihrer Anwendung. Die Drehzahl, gemessen in Umdrehungen pro Minute (U/min), bestimmt, wie schnell der Motor arbeitet. Drehzahl und Drehmoment müssen in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen, da höhere Drehzahlen im Allgemeinen das Drehmoment verringern.
Um die richtige Geschwindigkeit zu bestimmen, müssen Sie das Bewegungsprofil und die Dauer der Aufgabe berücksichtigen. Wenn zum Beispiel ein Roboterarm eine bestimmte Aktion in einem bestimmten Zeitrahmen ausführen muss, muss der Motor die erforderliche Geschwindigkeit innerhalb dieses Zeitrahmens erreichen. Bedenken Sie, dass sich Motoren mit weniger Polen schneller drehen, aber aufgrund von Faktoren wie der Gegen-EMK weniger Drehmoment liefern.
Berücksichtigen Sie auch mechanische Komponenten wie Getriebe oder Riemen, die die Geschwindigkeit über das Übersetzungsverhältnis anpassen. Die Trägheit der Last und die erforderliche Beschleunigung sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung, da sie sowohl die Geschwindigkeit als auch die Effizienz beeinflussen. Darüber hinaus ist die Temperatur des Motors wichtig, denn wenn er zu nahe an seinen Grenzen läuft, kann er überhitzen und seine Leistung beeinträchtigen.
Bestimmen Sie den Servomotor-Typ
Servomotoren gibt es in verschiedenen Ausführungen, wobei jeder Typ für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Die nachstehende Liste zeigt, wie die verschiedenen Servomotoren nach verschiedenen Merkmalen unterteilt werden können. Die meisten Servomotoren führen entweder lineare oder rotierende Bewegungen aus und können nach ihren spezifischen Merkmalen weiter unterteilt werden.
- Lineare Servomotoren
Lineare Servomotoren ermöglichen direkte lineare Bewegungen ohne zusätzliche Hardware und bieten hohe Präzision, Effizienz und minimalen Wartungsaufwand für dynamische Anwendungen. - Rotierende Servomotoren
Rotationsservomotoren sind vielseitig und effizient und bieten eine präzise Steuerung sowohl in leichten als auch in schweren Anwendungen, oft mit zusätzlicher Hardware. Sie sind der in der Industrie am häufigsten eingesetzte Servomotorentyp. - AC-Servomotoren
AC-Servomotoren sind in der Industrie weit verbreitet, da sie verschiedene Leistungsstufen und Spannungen mit hohem Wirkungsgrad verarbeiten können. Sie sind die gebräuchlichste Art von Servomotoren und können in die folgenden Typen eingeteilt werden:
- Nieder- bis Mittelspannungs-AC-Servomotoren
Diese kompakten Motoren bieten eine hohe Drehmomentdichte und Präzision und sind ideal für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot, die eine zuverlässige, effiziente Leistung erfordern. - Hochspannungs-AC-Servomotoren
Hochspannungs-AC-Servomotoren bieten eine robuste Leistungsabgabe und bewältigen schwere industrielle Aufgaben bei minimaler Größe und maximaler Drehmomenteffizienz. - Synchrone AC-Servomotoren
AC-Synchron-Servomotoren zeichnen sich durch eine hervorragende Präzision aus, da sich Rotor und Stator mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, und bieten eine hervorragende Steuerung und Zuverlässigkeit. - Asynchrone AC-Servomotoren
Asynchrone AC-Servomotoren verwenden Induktion zur Erzeugung des Drehmoments und erfordern eine komplexe Vektorsteuerung, wodurch sie sich für kosteneffiziente Aufgaben mit hohen Präzisionsanforderungen eignen.
- DC-Servomotoren
DC-Servomotoren sind effizient, bidirektional und kompakt und eignen sich daher ideal für Anwendungen mit geringer Leistung, variabler Geschwindigkeit, hoher Präzision und geringer Trägheit. Sie können in bürstenbehaftete und bürstenlose Typen unterteilt werden.
- Bürsten-DC-Servomotoren
Diese Motoren verwenden Bürsten für die Stromversorgung des rotierenden Teils (des Ankers). Sie werden häufig für kostengünstige Anwendungen mit hohem Drehmoment verwendet, müssen aber regelmäßig gewartet werden, da sich die Bürsten mit der Zeit durch Reibung abnutzen. Das Hauptmerkmal ist hier die Verwendung von Bürsten, die die elektrische Leistung auf den Rotor des Motors übertragen. - Bürstenlose DC-Servomotoren
Bürstenlose DC-Servomotoren sind effizient, wartungsarm und kompakt und bieten eine hervorragende Leistung und Langlebigkeit für hochpräzise Aufgaben in industriellen Umgebungen.
- Schrittmotor-Servomotoren
Schritt-Servomotoren kombinieren schrittweise Bewegung mit Rückkopplung und bieten eine überragende Genauigkeit und Drehmomenteffizienz, die sich ideal für die Steuerung im geschlossenen Regelkreis bei präzisen Vorgängen eignet. Sie sind meist in Gleichstromausführung zu finden, obwohl auch Wechselstromvarianten verfügbar sind.
Spannung bestimmen
Die Auswahl eines Servos auf der Grundlage der Spannung ist relativ einfach, da sie von der Versorgungsspannung, der Stromart und der Phase (im Falle von AC-Servomotoren) abhängt.
Wenn Sie beispielsweise mit einem kleinen Gleichstrom-Servomotor arbeiten, der von einer 12-V-Gleichstromversorgung gespeist wird, benötigen Sie einen Motor, der für 12 V Gleichstrom ausgelegt ist. Das ist eine einfache Übereinstimmung. Handelt es sich jedoch um eine industrielle Anwendung mit einer dreiphasigen Stromversorgung, z. B. 100 VAC, 200 VAC oder sogar 400 VAC, müssen Sie einen AC-Servomotor auswählen, der den Spannungs- und Phasenanforderungen des Systems entspricht.
Es ist auch wichtig zu bedenken, wie der Motor in Ihre Anlage integriert werden soll. Vergewissern Sie sich, dass der Motor mit der Eingangsspannung zurechtkommt, und denken Sie daran, dass bei Wechselstrommotoren mehr auf Spannung und Phase geachtet werden muss, da sie auf den dreiphasigen Stromkreislauf angewiesen sind.
Kurz gesagt, die Wahl der richtigen Spannung gewährleistet die Kompatibilität mit Ihrer Stromquelle und hilft, potenzielle Probleme wie mangelnde Leistung, Überhitzung oder sogar Schäden am Motor zu vermeiden. Stimmen Sie die Spannung Ihres Motors immer auf die Spezifikationen Ihres Systems ab.
Verstehen Sie den Arbeitszyklus
Servomotoren werden auf der Grundlage ihrer Betriebsarten gemäß IEC 60034-1 und ähnlichen Normen klassifiziert.
Die Betriebsarten beschreiben die Betriebsbedingungen des Motors, einschließlich Last, Zeit und thermische Eigenschaften.
Gemäß IEC 60034-1 gibt es 10 Standardbetriebsarten für rotierende Maschinen, die jeweils den Betriebszyklus des Motors spezifizieren. Im Allgemeinen werden S1, S2 und S3 auf die meisten Servomotoren angewandt, obwohl bestimmte Arten von Servomotoren unter bestimmten Bedingungen die anderen Betriebszyklusbeschreibungen verwenden können.
- S1 - Kontinuierlicher Betrieb
Der Motor arbeitet kontinuierlich unter einer konstanten Last, bis er einen stabilen thermischen Zustand erreicht. Häufig bei Förderanlagen und Pumpen. - S2 - Kurzfristiger Dienst
Der Motor läuft für eine begrenzte Zeit mit konstanter Last, ohne das thermische Gleichgewicht zu erreichen, gefolgt von einer Ruhephase. Üblich bei Stellantrieben und Kurzzeitanwendungen. - S3 - Intermittierender periodischer Dienst
Der Motor arbeitet in Zyklen mit Lauf- und Ruhephasen. Ein thermisches Gleichgewicht wird nicht erreicht. Typisch bei Kränen und Pressen.
Bestimmen Sie das erforderliche Bewegungsprofil
Bei der Definition des Bewegungsprofils werden Schlüsselparameter wie Höchstgeschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung festgelegt. Diese Faktoren gewährleisten einen reibungslosen und effizienten Betrieb und verhindern gleichzeitig mechanische Belastungen.
Ein Pick-and-Place-Roboter muss beispielsweise mit 5000 mm/s² beschleunigen und eine Geschwindigkeit von 1000 mm/s erreichen, um die Anforderungen an die Zykluszeit zu erfüllen. Umgekehrt könnte eine CNC-Maschine eine präzise Beschleunigungssteuerung erfordern, um ein Überschwingen zu vermeiden, wobei Werte wie 200 mm/s² für allmähliche Geschwindigkeitsänderungen verwendet werden.
Darüber hinaus wirken sich Faktoren wie Verweilzeit, Ruck (Geschwindigkeit der Beschleunigungsänderung) und Systemträgheit auf die Bewegungseffizienz aus. Ein gut optimiertes Bewegungsprofil sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Kontrolle, reduziert den Verschleiß und Energieverbrauch und gewährleistet gleichzeitig die Genauigkeit bei Anwendungen wie Robotik, Förderanlagen oder Präzisionsbearbeitung.
Bestimmung des Trägheitsverhältnisses
Das Trägheitsverhältnis ist ein wichtiger Parameter bei der Auslegung von Servomotorsystemen. Es ist definiert als das Verhältnis zwischen dem Trägheitsmoment der Last und dem Rotorträgheitsmoment des Motors, dividiert durch das Quadrat der Getriebeuntersetzung. Mathematisch wird es wie folgt ausgedrückt:
Trägheitsverhältnis = Jladen / JMotor × (Übersetzungsverhältnis)2
Wo:
Joad = Trägheit der Last
JMotor = Rotorträgheit des Motors
Dieses Verhältnis gibt an, wie stark die Last Bewegungsänderungen im Verhältnis zur Fähigkeit des Motors, diese Bewegung zu steuern, widersteht.
Das Verständnis und die Berechnung des Trägheitsverhältnisses ist ein entscheidender Schritt, um die Leistung eines Servosystems zu verstehen. Ein richtig abgestimmtes Verhältnis ermöglicht es dem Motor, schnell zu reagieren, ohne von der Trägheit der Last überwältigt zu werden. Wenn die Trägheit der Last zu groß ist, kann der Motor träge werden, mit schlechter Genauigkeit und längeren Einschwingzeiten. Ein niedriges Trägheitsverhältnis hingegen kann zu Instabilität oder übermäßigem Ansprechverhalten führen, was Schwingungen oder Spannungen verursacht.
Viele Anfänger übersehen diesen Faktor bei der Dimensionierung eines Servomotors, was zu ineffizienten Systemen oder Ausfällen führen kann. Idealerweise wird ein Trägheitsverhältnis zwischen 3:1 und 10:1 empfohlen, obwohl es je nach Anwendung variieren kann.
Einfluss des Trägheitsverhältnisses auf die Servoleistung
Leistungsverbesserung
Die Servoleistung verbessert sich mit abnehmendem Trägheitsverhältnis. Geringere Verhältnisse machen das System reaktionsschneller, verringern das Überschwingen und verbessern die Genauigkeit und Stabilität.
Abstimmung des Regelkreises
Ein geringeres Trägheitsverhältnis erleichtert auch die Abstimmung des Regelkreises. Der Servo reagiert vorhersehbarer, mit weniger Oszillation oder Verzögerung, was zu einer präzisen, stabilen Bewegung beiträgt.
Trägheitsverhältnis Leitlinien
Ein ideales Trägheitsverhältnis liegt für die meisten Systeme bei etwa 5:1 und bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Kontrolle und Effizienz. 10:1 ist oft die maximal akzeptable Grenze. Verhältnisse unter 1:1 bringen in der Regel keine bessere Leistung und können zu überdimensionierten, teureren Motoren ohne wirklichen Nutzen führen.
Kosten vs. Leistung
Eine zu starke Senkung des Trägheitsverhältnisses kann die Kosten in die Höhe treiben, ohne nennenswerte Vorteile zu bringen. Ab einem bestimmten Punkt führt ein niedrigeres Verhältnis nicht mehr zu einer spürbar besseren Leistung.
Realitätsnahe Mechanismen
Echte Systeme weisen Unzulänglichkeiten auf: Riemen dehnen sich, Kupplungen biegen sich, und Getriebe haben Spiel. Diese Effekte verschlimmern sich bei hohen Trägheitsverhältnissen und führen zu einer Verzögerung oder "Elastizität" bei der Bewegung der Last durch den Motor.
Fragen der Rückkopplung und Kontrolle
Servomotoren verwenden Encoder und PID-Steuerung, um die Genauigkeit zu gewährleisten. Bei hohen Trägheitsverhältnissen kann dieser Federeffekt jedoch zu Instabilität oder Oszillation führen. Eine Verringerung der Verstärkung hilft, geht aber auf Kosten der Reaktionsfähigkeit.
Leistungsstarke Servoantriebe
Moderne Servoantriebe mit Funktionen wie Autotuning, Resonanzunterdrückung und Störungsunterdrückung können mit Trägheitsverhältnissen von bis zu 30:1 umgehen. Einfachere Antriebe benötigen jedoch oft Verhältnisse von 3:1 oder weniger, um zuverlässig zu arbeiten.
Welchen Einfluss haben Umweltfaktoren auf die Auswahl von Servomotoren?
Bei der Auswahl eines Servomotors ist es wichtig, Umweltfaktoren zu berücksichtigen, die seine Leistung und Langlebigkeit beeinträchtigen können. Hier sind einige wichtige Umweltaspekte:
Umgebungstemperatur
Höhere Umgebungstemperaturen können die Dauerdrehmomentkapazität des Motors verringern. In Umgebungen mit hohen Temperaturen oder hohen Anforderungen an das Dauerdrehmoment können Flüssigkeitskühlsysteme helfen, die Leistung zu erhalten. Es ist jedoch wichtig, den direkten Kontakt mit der Mechanik und den Anschlüssen des Motors zu vermeiden.
Kontamination
Staub, Schmutz und andere Verunreinigungen können die Motorleistung beeinträchtigen, insbesondere in industriellen Umgebungen. Die Versiegelung des Motors oder die Verwendung von Schutzabdeckungen kann dazu beitragen, Verunreinigungen fernzuhalten und einen reibungsloseren Betrieb und eine längere Lebensdauer des Motors zu gewährleisten.
Vibration
Übermäßige Vibrationen können die Präzision des Motors beeinträchtigen und seine Lebensdauer verkürzen. In Umgebungen, die zu starken Vibrationen neigen, kann die Auswahl von Motoren mit vibrationsbeständigem Design oder die Verwendung zusätzlicher vibrationsdämpfender Ausrüstung zum Schutz des Systems beitragen.
Drehzahl-Drehmoment-Kurven: Verstehen und Anwenden
Drehzahl-Drehmoment-Kurven zeigen, wie viel Drehmoment ein Servomotor bei verschiedenen Drehzahlen liefern kann. Sie helfen sicherzustellen, dass der Motor die Anforderungen der Anwendung erfüllt, ohne zu überhitzen oder zu wenig Leistung zu erbringen.
Lesen der Kurve
Die Kurve hat zwei Hauptzonen:
- Kontinuierlicher Bereich - hier kann der Motor unbegrenzt laufen, ohne zu überhitzen.
- Intermittierender Bereich - höheres Drehmoment, aber nur für kurze Stöße, basierend auf den RMS-Drehmomentgrenzen.
Auf die Spannung kommt es an
Die Motorleistung hängt von der Eingangsspannung ab. Bei 480 VAC kann ein Motor sein volles Drehmoment bis zu 3000 U/min liefern, aber das Drehmoment fällt bei höheren Drehzahlen ab. Bei 380 VAC hat derselbe Motor möglicherweise Schwierigkeiten, 2500 U/min zu erreichen oder das erforderliche Drehmoment zu liefern.
Feldschwächung
Bei sehr hohen Drehzahlen kommen die Motoren in den Bereich der Feldschwächung, wo das Drehmoment unabhängig von der Spannung abfällt. Die Wahl der richtigen Spannung ist der Schlüssel zum Verbleib in sicheren Betriebsbereichen.
Praktische Werkzeuge
Software wie die Antriebstools von KEB visualisieren diese Kurven und erleichtern so die Anpassung von Motoren (wie dem TA3S) an Ihre Anwendung auf der Grundlage realer Leistungsdaten.
Auswahl der geeigneten Getriebe und Untersetzungsgetriebe
Mit Hilfe von Getrieben lässt sich die Leistung von Servomotoren für reale Lasten optimieren. Während einige Anwendungen von Direktantriebsmotoren profitieren, benötigen die meisten Maschinen eine Getriebeuntersetzung, um das Drehmoment eines Servomotors über einen breiten Drehzahlbereich voll ausnutzen zu können.
Warum ein Untersetzungsgetriebe?
Getriebe passen den Motor auf drei Arten an die Last an:
- Geschwindigkeit reduzieren - verlangsamt die Motorleistung, um sie den Anforderungen der Anwendung anzupassen.
- Erhöhung des Drehmoments - das Abtriebsdrehmoment steigt proportional zur Getriebeübersetzung.
- Geringeres Trägheitsverhältnis - die auf den Motor zurückgeworfene Lastträgheit wird um das Quadrat des Übersetzungsverhältnisses reduziert, was die Steuerung und das Ansprechverhalten verbessert.
Wichtige Überlegungen bei der Auswahl der Verzahnung:
- Übersetzungsverhältnis - Wird anhand des Verhältnisses der Zähne zwischen den Zahnrädern berechnet. Wählen Sie ein Verhältnis, das die Anforderungen an Drehmoment und Trägheit ausgleicht.
- Motordrehzahl - Motoren mit hoher Drehzahl müssen oft reduziert werden, um eine Überdrehzahl der Last zu vermeiden.
- Drehmomentanforderungen - Die Getriebeuntersetzung kann das Drehmoment erhöhen, ohne dass ein größerer Motor erforderlich ist.
- Trägheitsanpassung - Die richtige Getriebeübersetzung verbessert die Servostabilität und die Regelkreisabstimmung erheblich.
- Getriebeträgheit - Verwenden Sie die Daten der Getriebehersteller, um diese in die Gesamtträgheit des Systems einzubeziehen.
Obwohl der Direktantrieb in einigen Fällen ideal ist, bleiben Getriebeservosysteme für viele Präzisionsanwendungen mit hohem Drehmoment unverzichtbar.
Welchen Einfluss hat die Kompatibilität des Steuerungssystems auf die Wahl des Servomotors?
Die Sicherstellung der Kompatibilität des Steuerungssystems ist ein entscheidender Schritt bei der Auswahl eines Servomotors. Der Motor muss sich nahtlos in Ihre bestehende Antriebs- und Steuerungsarchitektur einfügen, um eine zuverlässige Kommunikation, eine präzise Bewegungssteuerung und eine effiziente Systemleistung zu gewährleisten.
Überlegungen zum Schlüsselkontrollsystem:
Kompatibilität der Steuerschnittstelle
Servoantriebe verwenden verschiedene Steuerungsmethoden. Die Wahl der richtigen Methode hängt von Ihrem bestehenden System ab:
- Analoge Steuerung - Verwendet Spannungs- oder Stromsignale zur Regelung von Drehzahl oder Drehmoment. Einfach, aber weniger präzise.
- Impuls- und Richtungssteuerung - Üblich bei CNC- und Schrittmotor-Ersatzanwendungen.
- Servo-Netzwerke (z. B. EtherCAT, CANopen, PROFINET) - Bieten eine schnelle, synchronisierte Kommunikation, verbesserte Diagnose und minimalen Verdrahtungsaufwand. Ideal für komplexe oder mehrachsige Systeme.
Antrieb-Motor-Kommunikation
Vergewissern Sie sich, dass der Servoantrieb sowohl mit dem Motor als auch mit der SPS oder der Steuerung unter Verwendung unterstützter Protokolle effektiv kommunizieren kann. Inkompatible Systeme erfordern möglicherweise Konverter oder eine kundenspezifische Integration, was die Komplexität und die Kosten erhöht.
Servomotoren müssen zu den Kommunikationsstandards, Steuerungsverfahren und Rückmeldesystemen passen, die in Ihrer bestehenden Steuerungsinfrastruktur verwendet werden. Die Auswahl kompatibler Komponenten vereinfacht die Integration, verkürzt die Einrichtungszeit und gewährleistet eine reibungslose, präzise Steuerung.
Auswahl der richtigen Servoantriebs- und Kraftübertragungskomponenten
Nach der Auswahl des Servomotors besteht der nächste Schritt darin, einen Servoantrieb auszuwählen, der zu Ihrem System passt, sowie die verschiedenen Hardwarekomponenten, die zur Übertragung des Drehmoments vom Motor auf die Last benötigt werden. Hier erfahren Sie, wie Sie sicherstellen können, dass er Ihren Anforderungen entspricht:
Wählen Sie den richtigen Servoantrieb
- Stromkapazität: Vergewissern Sie sich, dass der Servoantrieb mindestens 25% mehr Stromkapazität hat, als Sie für Ihr System erwarten. Dieser zusätzliche Spielraum hilft, unerwartete Bedingungen wie erhöhte Reibung oder Maschinenverschleiß zu bewältigen.
- Spannungsspielraum: Wählen Sie eine Stromversorgung und einen Servoantrieb mit einem 25%-Puffer, der sowohl die Unter- als auch die Überspannungsgrenzen überschreitet. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen mit Spannungsschwankungen oder regenerativem Bremsen, wie bei vertikalen Lasten.
- Isolierung: Verwenden Sie einen Trenntransformator oder eine optische Isolierung, um Ihr System vor elektrischen Gefahren und Komponentenschäden zu schützen. Dadurch werden die Signal- und die Leistungsmasse getrennt und Probleme durch schwebende Massen vermieden.
- Aneignung von Energie: Überschätzen Sie Ihren Energiebedarf nicht. Zu viel Leistung kann zu Platz- und Kostenverschwendung führen. Passen Sie die Leistungsabgabe an die spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung an, um Effizienz zu gewährleisten.
Merkmale der Kraftübertragung:
Bei der Auswahl von Kraftübertragungskomponenten sollten Sie auf wesentliche Merkmale achten, wie z. B. verkeilte Motorwellen, Wellendichtungen, Haltebremsen (insbesondere für vertikale Lasten) und externe Bremswiderstände.
Diese Merkmale sind notwendig, um sicherzustellen, dass das Motordrehmoment zuverlässig auf die Last übertragen wird, und erhöhen gleichzeitig die Sicherheit und Leistung des Systems. Passfedergelagerte Motorwellen verhindern Schlupf, Wellendichtungen schützen vor Verunreinigungen und Haltebremsen sorgen für Stabilität bei Anwendungen mit vertikaler Last. Externe Bremswiderstände verwalten die überschüssige Energie des regenerativen Bremsens, verhindern eine Überhitzung und gewährleisten eine effiziente Energienutzung.
Effizienz
Beim Wirkungsgrad von Servomotoren geht es darum, wie viel Strom benötigt wird, um ein konstantes Drehmoment zu erhalten (bekannt als Drehmomentkonstante, Kt). Motorwicklungen gibt es in verschiedenen Konfigurationen:
- Wicklungen mit besserem Stromwirkungsgrad haben eine geringere Drehzahl.
- Wicklungen mit höheren Drehzahlen haben einen geringeren Stromwirkungsgrad.
Wählen Sie die Wicklung auf der Grundlage der erforderlichen Geschwindigkeit und der effizientesten Wahl für Ihre Bedürfnisse.
Lebenserwartung und Wartung
Die Lebensdauer eines Servomotors wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, unter anderem von der Betriebsumgebung und den anwendungsspezifischen Anforderungen. Während die meisten Hersteller eine Lebensdauer von 20.000 bis 30.000 Stunden angeben, hängt die tatsächliche Langlebigkeit stark von der Einrichtung, der Wartung und den Einsatzbedingungen ab.
Unter idealen Bedingungen kann ein Servomotor jahrzehntelang laufen, aber bei extremer Belastung oder schlechter Wartung kann er in weniger als einem Jahr ausfallen. Die Auswahl des richtigen Servomotors für die gewünschte Anwendung kann die Lebensdauer Ihres Servomotors erheblich verlängern. Oder anders ausgedrückt, die Wahl des falschen Motors kann sehr schnell zu einem vorzeitigen Ausfall führen.
Kosten
Und schließlich kommen wir zum Kostenelement, das für viele der erste Punkt sein dürfte, den sie in Betracht ziehen.
Die Kosten für ein Servomotorensystem variieren je nach Faktoren wie Motortyp, Antriebsspezifikationen und Komplexität der Anwendung. Höherwertige Modelle wie bürstenlose DC- oder AC-Servomotoren bieten zwar mehr Effizienz, Präzision und Langlebigkeit, haben aber auch einen höheren Preis.
Zusätzliche Komponenten wie Servoantriebe, Kraftübertragungselemente und optionale Funktionen (wie Haltebremsen oder externe Widerstände) können die Kosten ebenfalls in die Höhe treiben. Die Investition in ein hochwertiges Servosystem ist jedoch auf lange Sicht oft kosteneffizienter, da es den Wartungsaufwand verringert, die Leistung verbessert und die Lebensdauer der Ausrüstung verlängert.
Wie das alte Sprichwort sagt, kaufe schön...oder kaufe zweimal!
Fazit
Nach der Lektüre dieses Artikels sollten Sie hoffentlich besser in der Lage sein, eine Entscheidung darüber zu treffen, welchen Servomotor Sie für die vorgesehene Anwendung auswählen sollten.
Wie wir gesehen haben, hängt die Auswahl des richtigen Servomotors von einer Vielzahl technischer Anforderungen ab, die von Drehmomenten und Drehzahlen bis hin zu Umweltaspekten reichen. Der Kauf eines unzureichend spezifizierten Servomotors kann dazu führen, dass sich Ihr System entweder überhaupt nicht bewegt (im besten Fall) oder dass es zu einer Zerstörung von Geräten und möglicherweise sogar zu Verletzungen kommt (im absolut schlimmsten Fall).
Und dann ist da natürlich noch der Kostenaspekt. Der Kauf des richtigen Servomotors (vielleicht mit einem kleinen Spielraum in Bezug auf die Leistung) stellt sicher, dass Ihre Maschine optimal funktioniert, und das zum besten Preis, während ein Übermaß an bestimmten unerwünschten Elementen den Preis in die Höhe treiben kann.
Wenn Sie unserem Leitfaden folgen und eine sachkundige Wahl treffen, wird Ihr Motor ein langes Leben haben, zuverlässig laufen und das tun, was er am besten kann - drehen, Dinge bewegen und seine Lasten auf höchst präzise Weise bewegen.
