Wartungsarme Antriebstechnik für schwierige Produktionsbedingungen – Konzepte für Servomotoren und Servoumrichter

Susanne Reinhard, Baumüller Nürnberg GmbH

Lesedauer ca. min.

Ihre Kunden möchten ungeplante Ausfallzeiten und hohen Wartungsaufwand an ihren Maschinen vermeiden?
Trotz aggressiver Umgebungsbedingungen? Kostengünstig und mit wenig Aufwand? Jetzt Webcast anfordern

Die müssen was aushalten: Motoren und Umrichter sind in der Produktion Schmutz, Staub und Hitze ausgesetzt. Funktionieren sollen sie trotzdem ewig.

Höchstleistung 24 Stunden rund um die Uhr und das trotz Hitze, Staubbelastung und Verunreinigung. Das halten elektrische Antriebssysteme nur aus, wenn die Komponenten entsprechend vorbereitet sind.

Aggressive Umgebungsbedingungen sind Alltag in vielen Produktionshallen rund um den Globus. Maschinenbauer versuchen Ausfallsicherheit zu erreichen, indem sie für ihre Maschinen Betriebsbedingungen spezifizieren. Die Realität sieht aber meist anders aus. Die Bedingungen können nicht erfüllt werden, die Antriebstechnik versagt und es kommt zu kostspieligen Ausfällen. In diesem Beitrag werden die Ursachen und deren konkrete Folgen zusammengefasst und Möglichkeiten gezeigt, wie Antriebssysteme robuster gemacht und damit Ausfallzeiten verhindert werden.

Aggressive Umgebungsbedingungen: Diese Branchen kämpfen am stärksten damit

Kunststoffmaschinen wie Spritzgussmaschinen, Extruder und Blasformmaschinen | Maschinen für den Aluminiumdruckguss oder der Recyclingtechnik | Bahnverarbeitende Maschinen wie Schlauchbeutel- oder Stanzmaschinen sowie Crosscut/Querschneider | Textilmaschinen wie beispielsweise Jacquardmaschinen | Maschinen für die Lebensmittel- oder Verpackungsindustrie

Ursachen – Probleme - Folgen

Leistungseinbußen und Stillstandzeiten: Die Ursachen sind genauso vielfältig wie die Schadensbilder an Elektromotoren, Elektronikkomponenten und deren Luftkühlung. Folgende Ursachen können als wichtigste Belastungsfaktoren festgehalten werden.

Gewebefasern in der Luft verstopfen in der Papierindustrie die Lüftungsfilter und verschmutzen die Antriebskomponenten

In der Textilindustrie verstopfen Textilfasern in der Luft die Lüftungsfilter und lagern sich auf den Komponenten ab

1. Verschmutzte Luft

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.

In der Recyclingindustrie werden Antriebe durch Staub und Schmutz belastet

Auch das schwierige Umfeld im Bereich Aluminium-Druckguss belastet alle Komponenten der Maschine extrem. Es ist heiß, staubig und die notwendigen Trennmittel, die ein Anhaften des Bauteils an das Werkzeug verhindern setzen sich inklusive leitfähiger Partikel an Komponenten ab.

2. Hitze:

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.

3. Hitze und verschmutzte Luft:

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.

4. Mechanische Belastungen:

Neben den genannten Umgebungsbedingungen spielen bei Maschinenausfällen außerdem oft mechanische Belastungen in Form von Vibrationen und Schocks eine Rolle. Ausführliche Informationen zu diesem Problem finden Sie hier:

Motorschäden durch Vibrationen oder Schocks? Das muss nicht sein.

Was tun?

1. Verschmutzte Luft muss draußen bleiben
Verunreinigte Luft muss aus dem System rausgehalten werden: Lüfter, die den Schmutz ansaugen oder noch zusätzlich aufwirbeln müssen vermieden, Schaltschränke und Komponenten so weit möglich gekapselt werden.
2. Hitze mit Hitze bekämpfen?
Luftkühlung ist besonders bei hohen Umgebungstemperaturen keine Lösung, die Kühlwirkung bei weitem nicht ausreichend. Je dynamischer Prozesse sind, umso größer ist die Wärmeentwicklung bei den Lastspitzen. Gleichzeitig stellt sich ab 40 Grad Celsius Umgebungstemperatur ein Derating, also ein Verlust an Leistung aufgrund der Hitze ein.

Bei einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent ist die Effizienz von Elektromotoren sehr gut. Die übrigen 10 Prozent aber können nicht in Bewegung umgewandelt werden und werden in Form von Wärme abgegeben. D.h. eine funktionierende Kühlung ist Voraussetzung für eine Dauerleistung. Die Umgebungsluft ist dazu aber nicht geeignet.

Fazit: Luft darf bei der Kühlung keine Rolle spielen => Ein anderes Kühlmedium muss her.

Die Lösung: Flüssigkeitskühlung mit Wasser oder Öl

Sowohl die Elektromotoren als auch die Elektronik von Baumüller können mit Flüssigkeitskühlung ausgerüstet werden. Im Elektromotor wird durch Kühlleitungen im Stator ein Kühlmedium geleitet, das die Wärme abführt. Umrichter werden mit einem direkt flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper ausgerüstet. Als Kühlmedium kommt dabei zum Beispiel Öl oder Wasser in Frage. Wasser weist eine höhere Wärmekapazität auf und bietet somit die höhere Kühlleistung bei gleichem Durchfluß. Öl wird meist dann bevorzugt, wenn an der Maschine bereits ein Ölkreislauf, zum Beispiel für Hydraulikkomponenten, vorhanden ist. Lüfter und Klimageräte für die Schaltschränke fallen damit weg, es ist stattdessen ein Kühlaggregat nötig, das das Kühlmedium auf die nötige Temperatur herunterkühlt. Dieses Aggregat muss nicht zwangsläufig in der Produktionshalle stehen und kann so an einem sinnvollen Ort, fern von Staub und Hitze, platziert werden. Vorteil ist außerdem, dass die Flüssigkeitskühlung ein geschlossenes System ist. Die Kühlung funktioniert also unabhängig von den Umgebungsbedingungen. Motoren und Schaltschränke können so gekapselt und damit vor Staub, Schwebepartikeln, Dunst und Dämpfen geschützt werden. Ein Eintrag von Verschmutzungen in das Antriebssystem durch die Kühlung wird verhindert.

Wassergekühlte Servoantriebe

Sie möchten mehr erfahren? Hier geht’s zu unseren Servoantrieben.

Doppelte Leistung bei gleichen Abmaßen bei flüssigkeitsgekühlten Motoren

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.

Staubfrei und hitzefest: Flüssigkeitsgekühlte Motoren haben die Kühlleitungen direkt im Motorgehäuse und funktionieren so als gekapseltes System

Sehen Sie sich jetzt den Webcast an!

Wartungsarme Antriebstechnik für schwierige Produktionsbedingungen

Webcast jetzt anfordern

Dies ist ein Pflichtfeld
Bitte wählen Sie die Anrede aus.
Dies ist ein Pflichtfeld
Dies ist ein Pflichtfeld
Dies ist ein Pflichtfeld
Dies ist ein Pflichtfeld
Dies ist ein Pflichtfeld
Invalid Input
Bitte geben Sie eine gültige E-Mail Adresse an.
Invalid Input

Informationen zum Datenschutz finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Die mit einem Stern (*) gekennzeichneten Felder sind Pflichtfelder.

Detaillierte Informationen zum Thema flüssigkeitsgekühlte Elektromotoren mit FAQs finden Sie hier:

Auch wenn die flüssigkeitsgekühlten Komponenten und die Verrohrung für den Kühlkreislauf die Initialkosten steigern, überwiegen die Vorteile bei kritischen Anwendungen deutlich.

Die Vorteile auf einen Blick

  • Wartungskosten sinken (z.B. Filterreinigung)
  • Ausfallzeiten werden vermieden
  • Energieverbrauch sinkt (z.B. für Schaltschrankkühlung)
  • Besseres Verhältnis Leistung/€: durch die bessere Kühlung der Motoren können kleinere Baugrößen eingesetzt werden
  • Höhere Dynamik und damit höhere Produktivität möglich
  • Kleinere Aufstellfläche
  • Mehr Arbeitssicherheit

Haben Sie noch Fragen?

Markus Keila
Produktmanager Motoren

Unser zuständiger Experte hilft Ihnen gerne weiter.

Dies ist ein Pflichtfeld
Invalid Input
Dies ist ein Pflichtfeld
Dies ist ein Pflichtfeld
Invalid Input
Bitte geben Sie eine Straße an
Dies ist ein Pflichtfeld
Invalid Input
Dies ist ein Pflichtfeld
Invalid Input
Bitte geben Sie eine gültige Email Adresse an
Invalid Input

Informationen zum Datenschutz finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Spamprotection failed.
Die mit einem Stern (*) gekennzeichneten Felder sind Pflichtfelder.