Wartungsarme Antriebstechnik für schwierige Produktionsbedingungen – Konzepte für Servomotoren und Servoumrichter

Gewebefasern in der Textil- und Papierindustrie, korrosiver Staub in der Metallindustrie, Schmutzpartikel in der Kunststoffindustrie und beim Recycling. All dies führt zu Ablagerungen in Lüftern und Schaltschränken und gelangt so auf die Aktivteile der Elektromotoren und in das Gehäuse von Motoren und Elektronik.

Die Folgen sind oft fatal. Gut, wenn nur kleine Probleme auftreten: zum Beispiel Ablagerungen am Rotor, die zu Unwuchten und einer erhöhten Lärmbelastung führen. Deutlich schwerwiegender ist da eine Überhitzung der Komponenten. Grund sind verschmutzte Luftfilter, die die Kühlung verhindern oder andere Barrieren, die den Kühlluftstrom verhindern. Die Komponenten büßen dann zuerst an Leistung ein und fallen schließlich aus.

Verschmutzungen mit korrosiven Eigenschaften lassen Isolationssysteme im Motor vorzeitig altern und führen zum Kurzschluss, auch hier fallen das Antriebssystem und damit die Anlage komplett aus.

Diese Probleme führen zu einem enormen Wartungsaufwand. Lüftungsfilter müssen häufig getauscht, Komponenten regelmäßig gereinigt werden. Das führt zu ungeplanten Stillstandzeiten.

Des einen Freund ist des anderen Feind. Hohe Dynamik führt zu einer hohen Produktivität, da freut sich der Maschinenbetreiber. Die hohen Anforderungen an Dynamik mit abrupten Start-Stopp-Bewegungen, wie zum Beispiel in Spritzgießmaschinen und Blasformmaschinen belasten die Antriebe aber enorm und können zu einer starken Hitzeentwicklung beitragen. Steht die Anlage dann zum Beispiel auch noch in Indien, wo die Tageshöchsttemperaturen an die 50 Grad heranreichen, dann wird es richtig heikel.

Die Folgen sind zunächst Leistungseinbußen und im worst case Maschinenausfälle. Um die Servoumrichter vor der Überhitzung im Schaltschrank zu schützen, werden dann Klimageräte eingebaut. Durch das aktive Kühlen aber entsteht ein extrem hoher Energieverbrauch und damit hohe Kosten.

Spielen beide Faktoren parallel eine Rolle, also Hitze bei gleichzeitig verschmutzter Luft, dann wird es doppelt kompliziert. Das Temperaturproblem kann dann nicht mehr einfach mit Lüftern und Klimageräten geregelt werden. Diese saugen dann nämlich die verschmutzte Luft an, die wiederum durch Filtermatten gereinigt werden muss. Die Filtermatten verstopfen schnell, was die Kühlleistung verringert. Die Reinigung der Filter erzeugt zusätzliche Wartungskosten, der Betrieb der Klimageräte treibt die Energiekosten in die Höhe. Außerdem wirbeln die Lüfter den vorhandenen Schmutz noch zusätzlich auf was insbesondere in der Lebensmittel und Pharmazieindustrie unerwünscht ist.

Flüssigkeitskühlung führt entstehende Verlustwärme grundsätzlich besser ab als eine Lüfterkühlung. Durch die bessere Kühlleistung ist die Motorleistung im Vergleich zu ungekühlten Motoren bei gleicher Bauform sogar um bis zu 50% höher. So können die Motoren in vielen Fällen kleiner dimensioniert werden. Kleinere Motoren weisen eine geringere Massenträgheit auf und ermöglichen damit eine höhere Dynamik. Diese Eigenschaften der wassergekühlten Motoren in Sachen Dynamik machen es möglich, dass Zykluszeiten reduziert und die Produktivität von Maschinen gesteigert werden können. Kompaktere Motoren ohne zusätzliche Lüfter verringern zudem die Maschinenaufstellfläche. Der Aspekt, dass die Kühlung in den Elektromotoren direkt stattfindet wirkt sich außerdem auf die Arbeitssicherheit aus. Die Verlustwärme gelangt nicht bis auf die Oberfläche des Motors sondern wird intern im Stator über die Kühlflüssigkeit abgeführt. Es resultieren weniger Vorkehrungen für Berührschutz an der Anlage. Auch weniger Gefahren durch sich auf heißen Oberflächen zersetzende Materialien bestehen. Als Beispiel dünstet PVC unter Hitze Salzsäuredämpfe und andere gefährliche Substanzen aus.