T Praxis der Antriebstechnik Band 1antriebstechnik.fh-stralsund.de/1024x768/Dokumentenframe/Kompe… · Das komplette Programm auf einen Blick 2 Getriebe- und Bremsmotoren Stirnradgetriebe

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Praxis der Antriebstechnik

Band 1

Antriebsauslegung mitSEW-Getriebemotoren

Berechnunsverfahren und Beispiele

Ausgabe 06/97

0920

200

5 / 0

498

Das komplette Programmauf einen Blick

2

Getriebe- und Bremsmotoren Stirnradgetriebe/ -motoren Flachgetriebe/ -motoren Kegelradgetriebe/ -motoren Schneckengetriebe/ -motoren Spiroplan® -Getriebemotoren Spielarme Planetengetriebe/ -motoren Bremsmotoren Explosionsgeschützte Drehstrommotoren

Elektronisch geregelte Antriebe Frequenzumrichter MOVITRAC®

MOVIMOT® -Getriebemotoren Antriebsumrichter MOVIDRIVE®

Servoumrichter MOVIDYN®

Servomotoren und -Getriebemotoren Gleichstrom-Getriebemotoren, -Motoren und -Bremsmotoren

Mechanische Verstellantriebe Breitkeilriemen-Verstellgetriebemotoren VARIBLOC®

Reibscheiben-Verstellgetriebemotoren VARIMOT®

Dienstleistungen Technische Beratung Anwender-Software Seminare Fachdokumentation Kundendienst

Inhaltsverzeichnis

SEITE

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Drehstromantriebe mit einer oder mehreren festen Drehzahlen . . . . . . . 82.1 Wirkungsweise des Drehstromkurzschlußläufermotors . . . . . . . . . . . . . . 82.2 Bemessungsdaten des Drehstromkurzschlußläufermotors . . . . . . . . . . . . 92.3 Wirkungsgrad η und Leistungsfaktor cos ϕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4 Wärmeklassen nach EN 60034 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5 Toleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.6 Leistungsminderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.7 Betriebsarten nach EN 60034 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.8 Wicklungsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.9 Schutzarten von Drehstrommotoren bzw. -Getriebemotoren . . . . . . . . . . 132.10 Dimensionierung aus Lastmoment, Schwungmasse und Schalthäufigkeit . . . . 132.11 Sanftanlauf, Sanftumschaltung von Drehstromkurzschlußläufermotoren . . . . 142.12 Bremsmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.12.1 Anwendung und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.12.2 Bremsenreaktionszeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.12.3 Bremsmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.12.4 Grenzbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.12.5 Bremsweg und Haltegenauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.12.6 Mechanische Lüftung der Bremse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.12.7 Bremsheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.12.8 Bremsschütze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.12.9 Gegenstrombremsung - Gleichstrombremsung . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3 Drehstromantriebe mit Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.1 Frequenzumrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis . . . . . . . . . . . . . 183.2 Betriebskennlinien / Frequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.3 Motordimensionierung / Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.4 Projektierung mit SEW-Frequenzumrichter MOVITRAC® . . . . . . . . . . . . 213.5 Netzanschluß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.6 Optionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4 Servoantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.1 Definition des Servoantriebes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.2 Der permanenterregte Synchronmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.2.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.2.2 Motorführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.2.3 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.2.4 Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3 Der SEW-Servoumrichter MOVIDYN® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3.1 Netzmodule MOVIDYN® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.3.2 MOVIDYN®-Achsmodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.3.3 Optionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.3.4 Kompakt-Servoumrichter MOVIDYN® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.4 Projektierung mit SEW-Servoumrichter MOVIDYN® . . . . . . . . . . . . . . . 32

5 Gleichstromantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.1 Funktion des Gleichstrommotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.2 Nebenschluß-, Reihenschlußmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.3 Drehzahlstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.4 Leistung, Welligkeit, Formfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Praxis der Antriebstechnik - Band 1 3

5.5 Einschaltung und Überlastbarkeit von Gleichstrommotoren . . . . . . . . . . . 375.6 Ankerspannungsregelung, Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.7 Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.8 Schalthäufigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.8.1 Erwärmung der Wicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.8.2 Kommutatorbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.9 Schutzarten, Isolation, Toleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6 Drehstromantriebe mit mechanischen Verstellgetrieben . . . . . . . . . . . 396.1 Verstellgetriebearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.2 Regelbarkeit, Verstellzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.3 Auslegung des Verstellgetriebemotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396.3.1 Auslegung für konstantes Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.3.2 Auslegung für konstante Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.3.3 Auslegung für konstante Leistung und konstantes Drehmoment . . . . . . . . 426.4 Betriebsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426.5 Überlastungsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436.6 Projektierungshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7 Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447.1 Getriebemotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457.2 Abtriebsdrehzahl, Abtriebsdrehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457.3 Betriebsfaktor (Stirnrad-, Kegelrad-, Schnecken- und Spiroplan®-Getriebe) . . 457.4 Dimensionierung von spielarmen Planetengetriebemotoren Baureihe PSF... . . 477.5 Querkräfte, Axialkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477.6 Getriebewirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487.7 Verschleißteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487.8 Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497.9 Bauform, Ölmenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

8 Formeln der Antriebstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508.1 Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508.2 Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508.3 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508.4 Massenträgheitsmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518.5 Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528.6 Spezielle Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

9 Rechenbeispiel Fahrantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549.1 Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549.2 Motorberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549.2.1 Fahrwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549.2.2 Statische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559.2.3 Dynamische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569.2.4 Nachrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579.3 Getriebeauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619.4 Fahrantrieb mit 2 Geschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629.5 Fahrantrieb mit Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689.5.1 Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689.5.2 Optimierung des Fahrdiagrammes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689.5.3 Leistungsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699.5.4 Stellbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719.5.5 Die 87 Hz-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Inhaltsverzeichnis

4 Praxis der Antriebstechnik - Band 1

Inhaltsverzeichnis

9.5.6 Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729.5.7 Synchronlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

10 Rechenbeispiel Hubantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7510.1 Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7510.2 Motorberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7510.2.1 Aufwärts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7610.2.2 Abwärts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7810.3 Hubwerk mit Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8010.3.1 Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8010.3.2 Leistungsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8010.3.3 Bremswiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

11 Rechenbeispiel Kettenförderer mit Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . 8411.1 Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8411.2 Motorberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8411.3 Getriebeauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

12 Rechenbeispiel Rollenbahn mit Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . 8712.1 Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8712.2 Motorberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

13 Rechenbeispiel Drehtischantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9113.1 Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9113.2 Motorberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9113.3 Getriebeauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

14 Rechenbeispiel Gurtförderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9514.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9514.2 Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9614.3 Motorberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9614.4 Getriebe- und Verstellgetriebeauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

15 Rechenbeispiel Kurbelschwingenantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . 10015.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10015.2 Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10115.3 Motorberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

16 Portal mit Servoantrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10416.1 Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10416.2 Optimierung der Fahrdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10516.3 Leistungsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10716.3.1 Fahrachse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10716.3.2 Hubachse aufwärts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10716.3.3 Hubachse abwärts: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10816.4 Getriebeauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10916.5 Motorenauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11116.6 Auswahl der Antriebselektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11516.6.1 Auswahl der Achsmodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11516.6.2 Auswahl des Netzmoduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11616.6.3 Auswahl des Bremswiderstands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11616.6.4 Auswahl des Kühlkörpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

17 Tabellenanhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

18 Zeichenlegende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122


1 Einleitung

Das Unternehmen SEW-EURODRIVE

SEW-EURODRIVE ist eines der führenden Unternehmen auf dem Weltmarkt der elektrischen Antriebs-technik. Das umfangreiche Produktprogramm und das breite Dienstleistungsspektrum machen SEWzum idealen Partner bei der Lösung anspruchsvoller Antriebsaufgaben.

Der Hauptsitz der Firmengruppe befindet sich in Bruchsal/Deutschland. Fertigungswerke in Deutsch-land, Frankreich, USA, Brasilien und China sichern die weltweite Präsenz. In Montagewerken in über30 Industrieländernder Welt werden aus lagerhaltigenKomponentenkundennahmitbesonderskurzerLieferzeit und in gleichbleibend hoher Qualität die individuellen Antriebssysteme montiert. Vertrieb,Beratung, Kundendienst und Ersatzteilservice von SEW finden Sie weltweit in über 50 Ländern.

Das Produktprogramm

• Stirnrad-, Flach-, Kegelrad-, Spiroplan® -, Schnecken- und spielarme Planetengetriebe und-getriebemotoren mit oder ohne Bremse mit Leistungen bis 250 kW bzw. für Drehmomente bis40.000 Nm

• Drehstrom-Bremsmotoren bis 45 kW

• explosionsgeschützte Antriebe

• Getriebe-Drehfeldmagnete

• MOVIMOT®Getriebemotoren mit integriertem Frequenzumrichter

• Frequenzumrichter MOVITRAC® und MOVIDRIVE® für die stufenlose Drehzahlverstellung vonDrehstromantrieben

• bürstenlose Drehstrom-Servoantriebe mit Servoumrichter MOVIDYN® und MOVIDRIVE® undpermanenterregte Synchronmotoren bzw. Synchrongetriebemotoren in normaler oder spielarmerAusführung

• mechanische Verstellgetriebemotoren VARIBLOC® bis 45 kW und VARIMOT® bis 11 kW

• Gleichstromantriebe

Leistung und Drehzahl

Sind im häufig vorkommenden Leistungsbereich bis 45 kW eine oder zwei Drehzahlstufen erforder-lich, kann netzbetrieben ein eintouriger oder polumschaltbarer Drehstrom-Getriebemotor eingesetztwerden. Bei mehr als zwei Drehzahlstufen bzw. bei stufenloser Drehzahlverstellung kommen mitMOVITRAC® oder MOVIDYN® elektronisch geregelte Antriebe zum Einsatz. Für kleine Stellbereichebis 1 : 8 finden auch mechanische Verstellantriebe (VARIBLOC® oder VARIMOT®) Verwendung.

Regelung

Werden die Antriebe in einen Regelkreis einbezogen, bieten sich entweder elektronisch geregelteDrehstromkurzschlußläufer-Antriebe oder Drehstrom-Servoantriebe an. Vorteile dieser Antriebe sindbeispielsweisehohesAnfahrmoment,besondereHochlauf-undVerzögerungscharakteristik,Überlast-schutz durch Momenten- und Strombegrenzung, Mehrquadrantenbetrieb usw. Zudem können mitMOVITRAC®, MOVIDYN® oder MOVIDRIVE® elektronisch geregelte Antriebe im Synchronlaufbetriebenwerden,positionieren undmitFeldbus-Systemen inAutomatisierungssystemeeingebundenwerden.

Einleitung1


Betriebsbedingungen

Drehstromkurzschlußläufer- und bürstenlose Servo-Getriebemotoren sind selbst unter schwierig-sten Randbedingungen durch ihren einfachen und robusten Aufbau und durch die hohe Schutzartsichere und auf Dauer zuverlässige Antriebe. In allen Fällen sind genaue Kenntnis und Berücksichti-gung der Betriebsbedingungen ausschlaggebend für den Erfolg.

Wartung

Der geschlossene Drehstromkurzschlußläufermotor und der bürstenlose Servoantrieb können nahe-zu ohne Wartungsaufwand über Jahre einwandfrei arbeiten. Die Wartung der Getriebe beschränktsich auf regelmäßige Kontrolle des Ölstandes, der Ölbeschaffenheit und die vorgeschriebenenÖlwechsel. Dabei ist auf die richtige Ölsorte mit SEW-Zulassung und die genaue Einfüllmenge zuachten. Verschleiß- und Ersatzteile für SEW-Antriebe sind in allen wichtigen Ländern der Weltlagermäßig verfügbar.

Projektierung

Bei der Vielzahl von verschiedenen Bewegungsabläufen scheint kein Antriebsfall dem anderen zugleichen. In Wirklichkeit lassen sich jedoch die Antriebsfälle auf drei Standardlösungen zurückführen:

- lineare Bewegung in der Horizontalen- lineare Bewegung in der Vertikalen und- Drehbewegung.

Zunächst werden Lastdaten wie Massen, Geschwindigkeiten, Kräfte, Schalthäufigkeiten, Betriebszei-ten, Geometrie der Räder und Wellen zusammengetragen. Mit diesen Daten wird der Leistungsbedarfunter Berücksichtigung der Wirkungsgrade errechnet und die Abtriebsdrehzahl bestimmt. Nachdiesen Ergebnissen wird der Getriebemotor unter Beachtung der individuellen Einsatzbedingungenaus dem SEW-Katalog ermittelt. Welche Getriebemotorenart nun gewählt wird, ergibt sich aus denfolgenden Auswahlkriterien. Da die Betriebseigenschaften der Getriebemotoren voneinander abwei-chen, werden in den folgenden Kapiteln diese Eigenschaften getrennt dargestellt.

Es wird folgende Unterteilung vorgenommen:- Drehstromantriebe mit einer oder mehreren festen Drehzahlen- Drehstromantriebe mit Frequenzumrichter- Servoantriebe- Gleichstromantriebe- Drehstromantriebe mit mech. Verstellgetrieben- Getriebe

SEW-Projektierungsprogramm

Das SEW-Projektierungsprogramm dient zur schnellen und effektiven Ermittlung von SEW-Antriebenmit allen für die Beurteilung des Einsatzes notwendigen Daten. Dabei stehen die umfangreichen Datendes elektronischen SEW-Kataloges (EKAT) als Datenbasis zur Verfügung.

Der Benutzer kann zwischen ungeregelten und geregelten Drehstromkurzschlußläufer-Antrieb, Dreh-strom-Servoantrieb und Gleichstrom-Antrieb wählen. Für die Wahl eines Untersetzungsgetriebesstehen Stirnrad-, Flach-, Kegelrad, Schnecken-, Planeten- und Spiroplangetriebe zur Verfügung.Ergänzend können auch die entsprechenden Umrichter und deren Zubehör bestimmt werden.

1Einleitung


2 Drehstromantriebe mit einer oder mehreren festen Drehzahlen

Ausführliche Informationen zu Drehstromkurzschlußläufermotoren finden Sie in den Katalogen“Getriebemotoren” und “Polumschaltbare Getriebemotoren”.

2.1 Wirkungsweise des Drehstromkurzschlußläufermotors

Wegen seiner einfachen und wartungsfreien Konstruktion, der hohen Zuverlässigkeit und des günsti-gen Preises ist der Drehstromkurzschlußläufermotor der am häufigsten eingesetzte Elektromotor.

Das Hochlaufverhalten wird durch die Drehmo-ment/Drehzahlkennlinie beschrieben. Wegen derdrehzahlabhängigen Läuferwiderstände ergebensich beim Drehstromkurzschlußläufermotordrehzahlabhängige (bzw. schlupfabhängige)Werte für das Drehmoment während desHochlaufs. Bild 2 stellt die Drehmomentkennlini-en eines polumschaltbaren Motors mit den cha-rakteristischen Merkmalen dar. PolumschaltbareGetriebemotoren sind die kostengünstigstendrehzahlveränderbaren Antriebe und werdenhäufig als Fahr- oder Hubantriebe eingesetzt. Da-bei dient die hohe Drehzahl als Eilgang, mit derniedrigen Drehzahl wird positioniert.

Der Motor durchläuft bei jeder Einschaltung diese Momentenkennlinie bis zu seinem stabilenArbeitspunkt, wo sich Lastkennlinie und Motorkennlinie kreuzen. Der stabile Arbeitspunkt wirderreicht, wenn das Lastmoment kleiner als Anfahr- und Sattelmoment ist.

Beim Umschalten des Motors nach Bild 2 von der 2poligen auf die 8polige Wicklung wirkt der Motorkurzzeitig infolge übersynchroner Drehzahl als Generator. Durch Umwandlung der Bewegungs- inelektrische Energie wird verlustarm und verschleißfrei von der hohen auf die niedrige Drehzahlabgebremst. Das zur Abbremsung verfügbare mittlere Umschaltmoment ist in erster Näherung:

Zur Reduzierung des Umschaltmomentes stehen elektronische Sanftumschalter zur Verfügung.

Häufig eingesetzte polumschaltbare Motoren:

Polzahl synchrone Drehzahl(min-1 bei 50 Hz)

Schaltung

4/2 1500/3000 ∆/YY (Dahlander)

8/2 750/3000 Y/Y (getrennte Wickl.)

6/4 1000/1500 Y/Y (getrennte Wickl.)

8/4 750/1500 ∆/YY (Dahlander)

MA = AnfahrmomentMS = SattelmomentMK = KippmomentMN = BemessungsdrehmomentML = Lastmoment

100624AXX

Bild 1: Drehstromkurzschlußläufermotor

M (2...4) MU A1≈ •

01000 2000 3000

M

MN

MA

MA

n / min-1

stabilerArbeitspunkt

n8polig

N n2polig

N

MSMK

Motorbetrieb

Generator-bremsbetrieb

M = f (n) 8polig

M = f (n) 2polig

ML

200625ADE

Bild 2: Kennlinien polumschaltbarer Drehstrommotor

MA1 = Anzugsmoment der Wicklung für die niedrige Drehzahl

Drehstromantriebe mitfesten Drehzahlen2


2.2 Bemessungsdaten des Drehstromkurzschlußläufermotors

Die spezifischen Daten eines Drehstromkurz-schlußläufermotors sind Baugröße, Bemessungs-leistung, Einschaltdauer, Bemessungsdrehzahl,Bemessungsstrom, Bemessungsspannung, cos ϕ,SchutzartundWärmeklasse.DieseDaten,eventuellnoch einige mehr, sind auf dem Motortypenschildfestgehalten. Diese Typenschildangaben beziehensich nach EN 60034 auf eine Umgebungstempera-tur von 40°C und eine Aufstellungshöhe von maxi-mal 1000 m über NN.

Drehstromkurzschlußläufer-Getriebemotoren miteiner festen Drehzahl werden meist 4polig ausge-führt, da 2polige Motoren zu erhöhten Geräuschenbeitragen und die Lebensdauer des Getriebes ver-ringern. Höherpolige Motoren gleicher Leistung(6polig, 8polig usw.) erfordern größeres Bauvolu-men und sind durch ungünstigen Wirkungsgradund cos ϕ sowie höheren Preis unwirtschaftlicher.Aus der nebenstehenden Tabelle können die syn-chronen Drehzahlen bei verschiedenen Polzahlen(bei 50 Hz und bei 60 Hz) entnommen werden.

Die Bemessungsdrehzahl des Motors nN bei Bemessungsleistung ist im motorischen Betrieb immerkleiner als die synchrone Drehzahl nS. Die Differenz zwischen der synchronen Drehzahl und dertatsächlichen Drehzahl ist der Schlupf, definiert als

Bei kleinen Antrieben, z.B. 0,25 kW Bemessungsleistung, beträgt der Schlupf ca. 10%, bei größerenAntrieben, z.B. 15 kW Bemessungsleistung, beträgt der Schlupf ca. 3%.

2.3 Wirkungsgrad η und Leistungsfaktor cos ϕ

Auf dem Typenschild der Motoren wird nach EN 60034 als Bemessungsleistung PN die Abtriebslei-stung, d.h. die zur Verfügung stehende mechanische Wellenleistung, angegeben. Bei großen Motorensind Wirkungsgrad und Leistungsfaktor günstiger als bei kleinen Motoren. Wirkungsgrad und Lei-stungsfaktor ändern sich auch mit der Auslastung des Motors, d.h. sie werden bei Teillast ungünstiger.

Die aufgenommene elektrische Scheinleistung PS beträgt:

Die aufgenommene elektrische Wirkleistung P1 beträgt:

Daraus errechnet sich die mechanische Wellenleistung PN:

SEW-EURODRIVETypNr.r/min

kWV

IM

DFT80K-43150067601.0001.961360

0,55230 /400Y

B5∆

Bremse V

Schmierstoff

Bruchsal / Germany3 ~ IEC 34

Nmcosϕ 0,77

A 3,0/1,75kg

Nm

Made in Germany 181 868 6.13

Gleichrichter

IP 54HzIso.Kl.

50B

300626AXX

Bild 3: Motortypenschild

Synchrondrehzahlen bei 50 Hz und 60 Hz:

Polzahl ns bei 50 Hz[min-1]

ns bei 60 Hz[min-1]

2polig 3000 3600

4polig 1500 1800

6polig 1000 1200

8polig 750 900

12polig 500 600

16polig 375 450

24polig 250 300

Sn n

n100%S N

S=

−•

P 3 U Is Netz Phase= • •

= •

= •

P P

P P

S

N

1

1

cosϕ

η

Drehstromantriebe mitfesten Drehzahlen 2


2.4 Wärmeklassen nach EN 60034

Am häufigsten eingesetzt werden heute Motorenmit der Wärmeklasse B. Bei diesen Motoren darfdie Wicklungstemperatur, ausgehend von einerUmgebungstemperatur von 40°C, maximal 80 Kzunehmen. In der EN 60034-1 sind die Wärmeklas-sen festgelegt. Alle polumschaltbaren Motoren mitgetrennter Wicklung sind bei SEW serienmäßig inWärmeklasse F ausgeführt. In nebenstehender Ta-belle sind die Übertemperaturen nach EN 60034-1aufgeführt.

Mit einem geeigneten Widerstandsmeßgerät kann die Temperaturzunahme eines Motors mit Kupfer-wicklung über die Widerstandszunahme ermittelt werden.

ϑ1 = Temperatur der kalten Wicklung in °Cϑ2 = Temperatur der Wicklung in °C am Ende der Prüfungϑa = Temperatur des Kühlmittels in °C am Ende der PrüfungR1 = Widerstand der kalten Wicklung (ϑ1) in ΩR2 = Widerstand am Ende der Prüfung (ϑ2) in Ω

ϑa kann vernachlässigt werden, wenn sich die Umgebungstemperatur während der Messung nichtändert. Damit ergibt sich die vereinfachte Formel:

2.5 Toleranzen

Nach EN 60034 sind folgende Toleranzen für Elektromotoren bei Nennspannung zulässig:

Spannung und Frequenz: Toleranz AWirkungsgrad η: bei PN # 50 kW → -0,15 • (1 - η)

bei PN > 50 kW → -0,1 • (1 - η)Leistungsfaktor cos ϕ: -(1 - cos ϕ) / 6Schlupf: ±20% *Anzugsstrom: +20 % *Anzugsmoment: -15%...+25% *Kippmoment: -10% *Massenträgheitsmoment: ±10% * * bezogen auf die Typenschilddaten

Bei Unterspannung durch schwache Stromnetze bzw. Unterdimensionierung der Motorzuleitungenkönnen die katalogmäßigen Werte wie Leistung, Drehmoment und Drehzahl nicht eingehalten werden.Dies gilt insbesondere beim Anlaufvorgang des Motors, bei dem der Anlaufstrom das Mehrfache desNennstromes beträgt.

Übertemperaturen:

Wärme-klasse

Grenzübertemp.bezogen auf Kühl-lufttemp. 40°C

Abschalttemp.Kaltleiter inMotorwicklung

B 80 K 120°C

F 105 K 145°C

H 125 K 165°C

ϑ ϑ ϑ22 1

11 1

R RR

(235 )=−

+ +

ϑ ϑ ϑ ϑ ϑ2 a2 1

11 1 a- =

R - RR

(235 + )+ -



2.6 Leistungsminderung

Die Bemessungsleistung PN eines Motors ist abhängig von der Umgebungstemperatur und derAufstellungshöhe. Die auf dem Typenschild angegebene Bemessungsleistung gilt für eine Umge-bungstemperatur bis 40°C und eine maximale Aufstellungshöhe von 1000 m über NN. Bei Abwei-chungen muß die Bemessungsleistung entsprechend der folgenden Formel reduziert werden:

2.7 Betriebsarten nach EN 60034

Die Bemessungsleistung steht immer im Zusammenhang mit einer Betriebsart und Einschaltdauer.Normal wird für Dauerbetrieb (S1) ausgeführt, d.h. es liegt Betrieb mit konstantem Belastungszustandvor, dessen Dauer ausreicht, daß der Motor den thermischen Beharrungszustand erreicht.

S2 ist Kurzzeitbetrieb, d.h. Betrieb mit konstantem Belastungszustand für begrenzte, festgelegte Zeitmit anschließender Pause, bis der Motor die Umgebungstemperatur wieder erreicht hat.

S3 ist Aussetzbetrieb ohne Einfluß des Anlaufvorgangs auf die Erwärmung. Charakteristikum ist die“Relative Einschaltdauer (ED)”. S3 ist gekennzeichnet durch eine Folge gleichartiger Lastspiele, vondenen jedes eine Zeit mit konstanter Belastung und eine Pause umfaßt, in der der Motor stillsteht.

S4 ist Aussetzbetrieb mit Einfluß des Anlaufvorgangs auf die Erwärmung, gekennzeichnet durchrelative Einschaltdauer (ED) und Zahl der Schaltungen pro Stunde.

Desweiteren gibt es noch die Betriebsarten S5 - S10 mit teilweise analogen Bedingungen zu S1 - S4.

Ist ein Motor für S1 mit 100% Einschaltdauer ausgelegt und wird eine geringere Einschaltdauerbenötigt, kann die Bemessungsleistung nach folgender Tabelle erhöht werden.

Betriebsart Leistungssteigerungsfaktor K

S2 Betriebsdauer 60 min30 min10 min

1,11,21,4

S3 Relative 60%Einschaltdauer 40%(ED) 25%

15%

1,11,151,31,4

S4-S10 Zur Bestimmung der Bemessungsleistung und der Betriebsart sind Zahl undArt der Schaltungen pro Stunde, Anlaufzeit, Belastungszeit, Bremsart, Brems-zeit, Leerlaufzeit, Spieldauer, Stillstandzeit und Leistungsbedarf anzugeben.

Auf Anfrage

400627ADE

Bild 4: Leistungsminderung abhängig von Umgebungstemperatur und Aufstellungshöhe

PNred = PN • fT • fH



Relative Einschaltdauer (ED):

Verhältnis der Belastungsdauer zur Spieldauer (Spieldauer = Summe der Einschaltzeiten und span-nungslosen Pausen).

Maximale Spieldauer 10 Minuten.

2.8 Wicklungsschutz

Die Auswahl der richtigen Schutzeinrichtung bestimmt im wesentlichen die Betriebssicherheit desMotors. Unterschieden wird zwischen stromabhängiger und motortemperaturabhängiger Schutzein-richtung. Stromabhängige Schutzeinrichtungen sind z.B. Schmelzsicherungen oder Motorschutz-schalter. Temperaturabhängige Schutzeinrichtungen sind Kaltleiter oder Bimetallschalter (Thermo-state).

Drei Kaltleiter-Temperaturfühler (SEW-Bezeichnung TF) werden im Motor in Reihe geschaltet undvom Klemmenkasten aus an ein spezielles Auslösegerät (gehört nicht zum SEW-Lieferumfang) imSchaltschrank angeschlossen. Zwei Bimetallschalter (SEW-Bezeichnung TH) - ebenfalls im Motor inReihe geschaltet - werden vom Klemmenkasten direkt in den Überwachungskreis des Motorseingeschleift. Kaltleiter oder Bimetalle sprechen bei der maximal zulässigen Wicklungstemperatur an.Sie haben den Vorteil, daß die Temperaturen dort gemessen werden, wo sie auftreten.

Schmelzsicherungen schützen den Motor nicht vor Überlastungen. Sie dienen ausschließlich demKurzschlußschutz.

Motorschutzschalter sind eine ausreichende Schutzeinrichtung gegen Überlast für Normalbetrieb mitgeringer Schalthäufigkeit, kurzen Anläufen und nicht zu hohen Anlaufströmen. Für Schaltbetrieb mithöherer Schalthäufigkeit (> 60 c/h*) und für Schweranlaufbetrieb sind Motorschutzschalter unge-eignet. Wenn die thermischen Zeitkonstanten des Motors und des Schutzschalters nicht übereinstim-men, kann es bei Einstellung auf den Motorbemessungsstrom zur unnötigen Frühauslösung oderzum Nichterkennen kommen. In der folgenden Tabelle wird die Qualifikation der verschiedenenSchutzeinrichtungen für unterschiedliche Auslöseursachen dargestellt.

s = kein Schutzg = bedingter Schutzd = umfassender Schutz

stromabhängige Schutzeinrichtung temperaturabhängigeSchutzeinrichtung

Schmelzsicherung Motorschutzschalter Kaltleiter-Motorschutz

1. Überströme bis 200% IN s d d

2. Schweranlauf, Reversierung s g d

3. Schaltbetrieb bis 30 c/h* s g d

4. Blockierung g g g

5. 2-Phasenanlauf s g d

6. Spannungsabweichung s d d

7. Frequenzabweichung s d d

8. Unzureichende Motorkühlung s s d

9 Lagerschaden s s d

* c/h = Schaltungen pro Stunde

EDSumme der Einschaltzeiten

Spieldauer100 [%]= •



2.9 Schutzarten von Drehstrommotoren bzw. -Getriebemotoren

Abhängig von den Umgebungsbedingungen - hohe Luftfeuchtigkeit, aggressive Medien, Spritz- oderStrahlwasser, Staubanfall usw. - werden Drehstrommotoren bzw. Drehstromgetriebemotoren mitund ohne Bremse in den Schutzarten IP54, IP55, IP56 und IP65 nach EN 60529 geliefert.

IP 1. Kennziffer 2. Kennziffer

= Berührungsschutz bzw. Fremdkörperschutz = Wasserschutz

0 kein Berührungsschutz kein Schutz kein Wasserschutz

1 Schutz gegen zufälligesgroßflächiges Berühren

Schutz gegen große festeFremdkörper

Schutz gegen Tropfwasser (senkrechtfallende Wassertropfen)

2 Schutz gegen Berühren mit denFingern

Schutz gegen mittelgroßefeste Fremdkörper

Schutz gegen schräg fallendeWassertropfen (bis 15° zur Senkrechten)

3Schutz gegen Berühren mitWerkzeugen

Schutz gegen kleinekornförmige festeFremdkörper

Schutz gegen Sprühwasser (bis 60° zurSenkrechten, Regenschutz)

4 Schutz gegen Schwallwasser(Spritzwasser aus allen Richtungen)

5Schutz gegen Berühren mitHilfsmitteln aller Art(vollständiger Berührungsschutz)

Schutz gegenStaubablagerung im Inneren

Schutz gegen Strahlwasser aus allenRichtungen

6 Vollkommener Staubschutz(staubdicht)

Schutz gegen vorübergehendes Überfluten(z.B. Schiffsdeck)

7 - - Schutz gegen kurzes Eintauchen

8 - - Schutz gegen Druckwasser

Erhöhter Korrosionsschutz für Metallteile und zusätzliche Wicklungsimprägnierung (Feucht- undSäureschutz) sind ebenso möglich wie die Lieferung von explosionsgeschützten Motoren undBremsmotoren nach Schutzart EExe (erhöhte Sicherheit), EExed (Motor erhöhte Sicherheit, Bremsedruckfest gekapselt) bzw. EExd (druckfest gekapselt).

2.10 Dimensionierung aus Lastmoment, Schwungmasse und Schalthäufigkeit

Jeder Motor wird letztlich nach seiner thermischen Auslastung bemessen. Häufig kommt der Antriebs-fall deseinmal einzuschaltenden Motors vor (S1 = Dauerbetrieb = 100% ED). Der ausdemLastmomentder Arbeitsmaschine errechnete Leistungsbedarf ist gleich der Bemessungsleistung des Motors.

Sehr verbreitet ist der Antriebsfall mit hoher Schalthäufigkeit bei geringem Gegenmoment, wie z.B.Fahrantrieb. Hier ist keineswegs der Leistungsbedarf für die Motordimensionierung ausschlagge-bend, sondern die Zahl der Anläufe des Motors. Durch das häufige Einschalten fließt jedesmal derhohe Anlaufstrom und erwärmt den Motor überproportional. Ist die aufgenommene Wärme größerals die durch Motorlüftung abgeführte Wärme, werden die Wicklungen unzulässig erwärmt. Durchentsprechende Wahl der Wärmeklasse oder durch Fremdbelüftung kann die thermische Belastbarkeitdes Motors erhöht werden (→ Kap. 2.4 Wärmeklassen).

Die zulässige Schalthäufigkeit eines Motors wird vom Hersteller als Leerschalthäufigkeit Z0 bei 50%ED angegeben. Diese drückt aus, wie oft der Motor das Massenträgheitsmoment seines Läufers ohneGegenmoment bei 50% ED pro Stunde auf maximale Drehzahl beschleunigen kann. Muß einzusätzliches Massenträgheitsmoment beschleunigt werden oder tritt zusätzlich ein Lastmoment auf,vergrößert sich die Anlaufzeit des Motors. Da während dieser Anlaufzeit ein erhöhter Strom fließt,wird der Motor thermisch höher belastet und die zulässige Schalthäufigkeit nimmt ab.

Die zulässigen Schalthäufigkeiten der Motoren können näherungsweise ermittelt werden:

Z0 = Leerschalthäufigkeit des Motors bei 50% ED KJ = f(JX, JZ, JM)KM = f(ML, MH) KP = f(PX, PN, ED)Z Z K K K

chJ M P= • • • LNM

OQP0



Die Faktoren KJ, KM und KP können für den jeweiligen Anwendungsfall anhand der Diagrammein Bild 5 ermittelt werden.

2.11 Sanftanlauf, Sanftumschaltung von Drehstromkurzschlußläufermotoren

Das Drehmoment eines Drehstromkurzschlußläufermotors kann durch äußere Beschaltung mitDrosseln oder Widerständen oder durch Spannungsabsenkung beeinflußt werden. Die einfachsteForm ist die sogenannte Y/∆-Schaltung. Wird die Wicklung des Motors in Dreieckschaltung (∆) z.B.für 400 V Netzspannung ausgelegt, der Motor in der Anlaufphase im Sternschaltung (Y) an das400V-Netz angeschlossen, so ergibt sich ein Drehmoment von nur noch 1/3 des Momentes imDreieckschaltung. Die Ströme, auch der Anlaufstrom, erreichen ebenfalls nur 1/3 des Wertes beiDreickschaltung. Eine Verringerung des Anlaufmomentes und somit auch des Anlaufstromes wirdebenfalls durch die “Reihendreieck-Schaltung” erreicht.

Reduzierung von Anlaufbeschleunigung und Bremsverzögerung und damit sanfter Hochlauf bzw.sanftes Abbremsen können bei bestimmten Anwendungen durch das zusätzliche Massenträgheits-moment eines Grauguß-Lüfters erreicht werden. Hierbei ist die Schalthäufigkeit zu überprüfen.

Durch Anlaßtransformator, entsprechende Drosseln oder Widerstände wird ein vergleichbarer Effektwie mit der Y/∆-Umschaltung erreicht, wobei durch die Größe der Drosseln bzw. der Widerständedie Drehmomentengröße variiert werden kann.

Bei polumschaltbaren Motoren ist es eventuell erforderlich, beim Umschalten von hoher auf niedrigeDrehzahl entsprechende Drehmomentreduzierungen vorzunehmen, da die Umschaltmomente größerals die Anlaufmomente sind. Hier bietet sich neben Drossel und Widerstand als preiswerte Lösungeine 2phasige Umschaltung an. Dies bedeuted, daß der Motor während des Umschaltens für einebestimmte Zeit (einstellbar mit einem Zeitrelais) in der Wicklung für kleine Drehzahl nur mit 2 Phasenbetrieben wird. Hierdurch wird das sonst symmetrische Drehfeld verzerrt und der Motor erhält einkleineres Umschaltmoment.

Mu2ph = mittleres Umschaltmoment 2phasigMu = mittleres Umschaltmoment 3phasigMA1 = Anzugsmoment der Wicklung für die

niedrige Drehzahl

1 2 3 4 50 0 00,2 150,4 250,6 400,8 601,0 100J + JJ

X Z

M

MM

L

H

% ED

1,0 1,0 1,0

KJ KM KP

0,8 0,8 0,8

0,6 0,6 0,6

0,4 0,4 0,40,2 0,2 0,2

0 0 0

PP

stat

N

= 0

= 0,8

= 1= 1,2

= 0,4

= 0,6

= 0,2

in Abhängigkeit des Zusatz-massenträgheitsmomentes

in Abhängigkeit des Gegen-momentes beim Hochlauf

in Abhängigkeit der stat. Lei-stung und Einschaltdauer ED

500628ADE

JX = Summe aller externen Massenträgheits- ML = Gegenmoment während Hochlaufmomente bezogen auf die Motorachse MH = Hochlaufmoment Motor

JZ = Massenträgheitsmoment schwerer Lüfter Pstat = Leistungsbedarf nach Hochlauf (statische Leistung)JM = Massenträgheitsmoment Motor PN = Bemessungsleistung Motor

Bild 5: Abhängigkeit der Schalthäufigkeit

M M oder M Mu ph u u ph A2 2 112

1 1 25= • ≈ •... ,b g



Achtung:Bei Hubwerken darf aus Sicherheitsgründen die 2phasige Umschaltung nicht verwendet werden!

Noch vorteilhafter ist der Einsatz des elektronischen Sanftumschalters (SEW-Bezeichnung WPU),der elektronisch die 3. Phase beim Umschalten unterbricht und exakt zur richtigen Zeit wiederzuschaltet.

2.12 Bremsmotoren

Ausführliche Informationen über Bremseigenschaften in Verbindung mit verschiedenen Bremsgleich-richternundSteuergerätenfindenSie indenSEW-Katalogenundin“PraxisderAntriebstechnikBand4".

600630AXX

Bild 7: Drehstrombremsmotor und Scheibenbremse

a) b) c)

L1L2L3

M

Richtungsschütze

Bremsgleichrichter

Bremse

Gesc

hwin

digk

eits

-sc

hütz

e

Umschaltstoß-minderung durcha) Umschaltdrosselb) Kusa-Widerstandc) 2phasiges

Umschalten

langsame / schnelleDrehzahl

700629ADE

Bild 6: Polumschaltung



2.12.1 Anwendung und Wirkungsweise

Für viele Einsatzfälle, bei denen ein relativ genaues Positionieren erforderlich ist, muß der Motor einezusätzliche mechanische Bremse besitzen. Neben diesen Anwendungen, in denen die mechanischeBremse als Arbeitsbremse genutzt wird, werden Bremsmotoren auch eingesetzt, wenn es aufSicherheit ankommt. Z.B. fällt in Hubantrieben, bei denen der Motor in einer bestimmten Positionelektrisch stillgesetzt wird, zur sicheren Fixierung der Position die “Haltebremse” ein. ÄhnlicheSicherheitsansprüche gelten bei der Betriebsstörung “Netzunterbrechung”. Dann sind die mechani-schen Bremsen an den Motoren Garanten für den Nothalt.

- Bei Einschalten der Spannung öffnen (lüften) die Bremsen elektromagnetisch,- bei Abschalten der Spannung fallen sie durch Federkraft selbsttätig ein.

2.12.2 Bremsenreaktionszeiten

SEW-Bremsmotoren werden dank ihres elektronisch gesteuerten Zweispulen-Bremssystems mitbesonders kurzer Ansprechzeit gelüftet. Vielfach noch übliche Geräte für Bremsenschnellerregungwerden hierdurch vollständig abgelöst.

Die Bremseinfallzeit ist oft zu lang, weil z.B. der Bremsgleichrichter im Klemmenkasten des Motorsdirekt vom Motorklemmbrett versorgt wird. Beim Abschalten des Motors erzeugt dieser, solange ersich dreht, eine generatorische (Remanenz-) Spannung, die das Einfallen der Bremse verzögert. Aberauch die ausschließliche Abschaltung der Bremsspannung auf der Wechselstromseite hat beachtlicheZeitverzögerungen durch die Selbstinduktion der Bremsspule zur Folge. Hier hilft nur die gleichzeitigeUnterbrechung auch auf der Gleichstromseite, d.h. im Bremsspulenstromkreis.

2.12.3 Bremsmomente

SEW-Scheibenbremsen sind durch variable Federbestückung im Bremsmoment einstellbar. Bei derMotorbestellung ist das gewünschte Bremsmoment entsprechend den Anforderungen aus denKatalogdaten auszuwählen. Bei Hubwerken muß z.B. das Bremsmoment aus Sicherheitsgründenetwa doppelt so groß wie das erforderliche Motornennmoment dimensioniert werden. Wird beiBestellung nichts angegeben, so wird mit maximalem Bremsmoment geliefert.

2.12.4 Grenzbelastung

Bei der Dimensionierung der Bremse, insbesondere bei Not-Aus-Bremsen, ist darauf zu achten, daßdie maximal zulässige Schaltarbeit je Schaltung nicht überschritten wird. Die entsprechendenDiagramme, die diese Werte in Abhängigkeit von Schalthäufigkeit und Motordrehzahl zeigen, findenSie im Katalog “Getriebemotoren” und in “Praxis der Antriebstechnik Band 4".



2.12.5 Bremsweg und Haltegenauigkeit

Die Bremszeit setzt sich aus zwei Einzelzeiten zusammen:1. Bremseneinfallzeit t22. mechanische Bremszeit tB

Während der mechanischen Bremszeit nimmt die Drehzahl bzw. die Geschwindigkeit des Motors ab.Während der Bremseneinfallzeit bleibt die Geschwindigkeit weitgehend konstant, evtl. kann sie sogarerhöht werden, z.B. bei Hubantrieben im Senkbetrieb, wenn der Motor schon abgeschaltet und dieBremse noch nicht eingefallen ist.

Die Toleranz für den Bremsweg unter unveränderten Randbedingungen beträgt ca. ± 12%. Bei sehrkleinen Bremszeiten kann ein größerer Einfluß der elektrischen Steuerung (Relais- oder Schützzeiten)den Anhalteweg verlängern. Bei programmierbaren Steuerungen können zusätzliche Zeiten durchProgrammlaufzeiten und Ausgangsprioritäten anfallen.

2.12.6 Mechanische Lüftung der Bremse

Die Bremse kann zusätzlich mechanisch gelüftet werden. Bei der mechanischen Lüftung wird einLüfthebel (selbsttätig zurückspringend) oder ein Gewindestift (feststellbar) mitgeliefert.

2.12.7 Bremsheizung

Für besondere Umgebungsbedingungen wie z.B. Betrieb im Freien bei großen Temperaturschwan-kungen oder im Tieftemperaturbereich (Kühlhaus) ist es erforderlich, die Bremse vor dem Einfrierenzu schützen. Dies erfordert ein spezielles Ansteuergerät (im SEW-Lieferprogramm).

2.12.8 Bremsschütze

Da Gleichströme mit Induktivanteil geschaltet werden, müssen die Schaltkontakte entsprechenddimensioniert sein. Hier ist es erforderlich, geeignete Bremsschütze, wie sie im Handel erhältlich sind,zu verwenden. Geeignet sind auch Wechselstromschütze, die für AC 3-Betrieb zugelassen sind. Diezulässige Kontaktbelastung von Schaltgeräten der Gebrauchskategorie AC 3 nach EN 60947-4-1 fürDrehstromkurzschlußläufermotoren ist für das Einschalten mit 6fachem und für das Ausschalten mit1fachem Nennstrom definiert.

Hilfskontakte von Leistungsschützen reichen dagegen nicht aus. Vermeidbare Betriebsstörungendurch verbrannte Kontakte sind die Folge.

2.12.9 Gegenstrombremsung - Gleichstrombremsung

Gegenstrombremsungen oder Reversierbetrieb, d.h. Umpolung der Motorspannung bei der maxi-malen Drehzahl, stellen für den Motor eine große mechanische und thermische Belastung dar. Diehohe mechanische Belastung gilt auch für nachfolgende Getriebe und Übertragungsglieder. Hierist auf jeden Fall mit dem Antriebshersteller Rücksprache zu halten.

Mit einer Gleichstrombremsung können Motoren ohne Bremse je nach Höhe des Gleichstroms mehroder weniger schnell abgebremst werden. Da diese Art der Bremsung für zusätzliche Erwärmung desDrehstrommotors sorgt, sollte auch hier Rücksprache mit dem Hersteller gehalten werden.



3 Drehstromantriebe mit Frequenzumrichter

Ausführliche Informationen zu Drehstromantrieben mit Frequenzumrichter finden Sie in den Katalo-gen zu den Frequenzumrichtern MOVITRAC® und in “Praxis der Antriebstechnik Band 5".

Drehstrommotoren und -Getriebemotoren werden bevorzugt mit Frequenzumrichtern stufenlos inder Drehzahl verändert. Der Frequenzumrichter liefert eine variabel einstellbare Ausgangsfrequenzmit proportional sich ändernder Ausgangsspannung.

3.1 Frequenzumrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis

Frequenzumrichter für Drehstromasynchronmotoren können in drei Gruppen eingeteilt werden:

1. Umrichter ohne Zwischenkreis (Direktumrichter)2. Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis (U-Umrichter oder Pulsumrichter)3. Umrichter mit Gleichstrom-Zwischenkreis (I-Umrichter)

Der U-Umrichter ist durch seine universelle Einsetzbarkeit am gebräuchlichsten. Er kann für Einzel- undMehrmotorenantriebe eingesetzt werden. Durch das Merkmal der eingeprägten Spannung im Gleich-spannungs-Zwischenkreis ist er leerlauffest, er kann also ohne Schaden von der Last getrennt werden.

Generelle Merkmale:Einquadranten-Betrieb, Vierquadranten-Betrieb durch elektronische Drehfeldumkehr sowie Brems-chopper mit Bremswiderstand oder Netzrückspeisung möglich.

Typische Anwendungsgebiete:In allen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus; vornehmlich, wenn es auf lastunabhängigeDrehzahlkonstanz, Wartungsfreiheit und/oder hohe Schutzart und/oder hohe Drehzahl ankommt.

Aufbau, Funktion:Diese Umrichter arbeiten mit ungesteuertem Eingangsgleichrichter. Der Zwischenkreiskondensatorist mit der gleichgerichteten Netzspannung aufgeladen. Der nachgeschaltete Wechselrichter über-nimmt sowohl die Funktion der Frequenz- als auch der Spannungsverstellung.

Unabhängig von den Eigenschaften des angeschlossenen Motors belastet der U-Umrichter dasspeisende Netz immer mit cosϕ > 0,95, d.h. er nimmt kaum Blindleistung auf. Die vom Motorbenötigte Blindleistung wird über die Freilaufdioden des Wechselrichters mit dem Zwischenkreisausgetauscht.

M3 phasig

Netz3phasig Gleichrichter Zwischenkreis Wechselrichter Motor

800638ADE

Bild 8: Vereinfachtes Blockschaltbild des U-Umrichters

Drehstromantriebe mitFrequenzumrichter3


Bremsbetrieb mit U-Umrichtern:

Bei Bremsbetrieb wirkt der Motor als Generator und speist Energie in den Zwischenkreis zurück. Umzu vermeiden, daß die Zwischenkreisspannung gefährlich hoch ansteigt, muß die Energie wiederabgeführt werden. Ein Bremschopper schaltet sich in Abhängigkeit von der Höhe der Zwischen-kreisspannung zu und belastet den Zwischenkreis mit einem Bremswiderstand. Sobald eine untereSchwelle erreicht ist, schaltet der Chopper den Bremswiderstand wieder ab. Die Zwischenkreisspan-nung bleibt auf zulässigem Niveau. Die überschüssige Energie wird in Wärme umgesetzt.

Eine weitere Möglichkeit, die überschüssige Energie aus dem Zwischenkreis abzuführen, ist dieRückspeisung ins Netz. Ein zum Eingangsgleichrichter gegenparallel arbeitender Wechselrichtersorgt beim Anstieg der Zwischenkreisspannung automatisch für einen Rückstrom ins speisende Netz.

3.2 Betriebskennlinien / Frequenzbereich

a) Durch Änderung von Frequenz und Spannung ist die Drehzahl-Drehmomentkennlinie des Dreh-stromkurzschlußläufermotors über der Drehzahlachse verschiebbar (siehe Bild 10). Im Bereich derProportionalität zwischen U und f (Bereich A) wird der Motor mit konstantem Fluß betrieben undkann mit konstantem (Bemessungs-)Drehmoment belastet werden. Erreicht die Spannung denMaximalwert und wird die Frequenz weiter erhöht, nimmt der Fluß und damit auch das Nutzmomentreziprok ab (Feldschwächung, Bereich F). In diesem Bereich nimmt das Kippmoment MK quadra-tisch ab, so daß ab einer bestimmten Frequenz MK < Nutzmoment wird, z.B. bei fEck = 50 Hz(bei MK = 2 • MN ab 100 Hz; bei MK = 2,5 • MN ab 125 Hz).Gegebenenfalls muß der Antrieb größer ausgelegt werden.

b) Alternativ besteht die Möglichkeit, den Motor schon im Bereich kleiner Frequenzen mit niedrigeremU/f zu betreiben, so daß erst bei Maximalfrequenz die Maximalspannung erreicht wird. DerMaschinenfluß ist durch das kleinere Verhältnis von U/f reduziert, der Motor wird mit konstantgeschwächtem Feld betrieben, also auch mit konstant reduziertem Drehmoment (siehe Bild 11).Bei dieser Betriebsart besitzt der Motor über den ganzen Bereich ein quadratisch reduziertesKippmoment gegenüber dem Kippmoment bei 50 Hz-Netzbetrieb(z.B. bei fmax = 70 Hz: MK70 = 502/702 • MK50 = 0,51 • MK50).

900639ADE

Bild 9: Frequenzumrichter MOVITRAC®31

Drehstromantriebe mitFrequenzumrichter 3


Vorteil dieser Umrichtereinstellung ist, daß der Motor im Bereich unterhalb 50 Hz durch Spannungs-anhebung ohne Gefahr der Motorübererregung bis zur Erzeugung des (50 Hz-)Bemessungsdrehmo-mentes höher erregbar ist und somit für Anfahr- und Überlastspitzen größere Drehmomente als dasDauerdrehmoment Mred abgeben kann.

c) Eine weitere Alternative ist der Betrieb mit Spannung und Frequenz oberhalb der Nennwerte, z.B:Motor: 230 V / 50 Hz (∆-Schaltung)Umrichter: UA = 400 V bei fmax = 400/230 • 50 Hz = 87 Hz

Durch die Frequenzerhöhung würde der Motordie !3fache Leistung abgeben.

Wegen der zu hohen thermischen Belastung em-pfiehlt SEW jedoch nur die Ausnutzung mit derNennleistung des nächstgrößeren listenmäßigenMotors (mit Wärmeklasse F!).

z.B.: Motor-Listenleistung PN = 4 kWnutzbare Leistung bei ∆-Schaltung und fmax = 87 HzPN‘ = 5,5 kW

Damit hat dieser Motor immer noch die 1,37facheLeistung gegenüber der Listenleistung. Wegendes Betriebs mit ungeschwächtem Feld bleibt beidieser Betriebsart das Kippmoment in gleicherHöhe wie bei Netzbetrieb erhalten.

Beachtet werden muß die größere Geräuschentwicklung des Motors, verursacht durch das schnellerdrehende Lüfterrad, sowie der größere Leistungsdurchsatz durch das Getriebe (fB-Faktor groß genugwählen). Der Umrichter muß für die höhere Leistung (im Beispiel 5,5 kW) bemessen werden, weilder Betriebsstrom des Motors wegen der ∆-Schaltung höher ist als in Y-Schaltung.

0 1 20

0

P

A F

fECK

MN

PN

UN

M1

f/fN

f/fNP, M

U

1000640ADE

Bild 10: Betriebskennlinien mit konstantem Drehmomentund konstanter Leistung (Feldschwächbereich)

1100641ADE

Bild 11: Betriebskennlinien mit konstant reduziertemDrehmoment

0 1 1,73 20

0

P

UN

UA

MN

PN

f/fN

f/fNP, M

U

0 1 1,73

400 V

230 V

1200642ADE

Bild 12: Betriebskennlinien mit konst. Nenndrehmoment



3.3 Motordimensionierung / Kühlung

Voraussetzung für konstantes Drehmoment ist gleichbleibende Kühlung der Motoren auch im unterenDrehzahlbereich. Dies ist bei Motoren mit Eigenbelüftung nicht möglich, da mit abnehmenderDrehzahl die Belüftung ebenfalls abnimmt. Wird kein Fremdlüfter eingesetzt, so muß auch dasDrehmoment reduziert werden. Auf eine Fremdbelüftung kann bei konstantem Drehmoment nurverzichtet werden, wenn der Motor überdimensioniert wird. Die im Vergleich zur abgegebenenLeistung größere Motoroberfläche kann die Verlustwärme auch bei niedrigen Drehzahlen besserabführen.

Ebenfalls von Einfluß auf die Motordimensionierung ist die Kurvenform der Ausgangsspannung. Jemehr diese der idealen Sinusform angenähert ist, desto besser ist die Motorausnutzung.

Bei der Wahl der max. Frequenz müssen die Belange des Getriebemotors mit berücksichtigt werden.Die hohe Umfangsgeschwindigkeit der eintreibenden Stufe mit den daraus resultierenden Folgen(Planschverluste, Lager- und Dichtringbeeinflussung, Geräuschbildung) begrenzt die höchstzulässi-ge Motordrehzahl. Die untere Grenze des Frequenzbereiches wird vom Gesamtsystem selbst be-stimmt.

Die Rundlaufgüte bei kleinen Drehzahlen wird durch die Qualität der erzeugten sinusförmigenAusgangsspannung beeinflußt. Die Stabilität der Drehzahl bei Belastung wird durch die Güte derSchlupf- und IxR-Kompensation oder alternativ durch eine Drehzahlregelung unter Verwendung einesam Motor angebauten Drehzahlgebers bestimmt.

3.4 Projektierung mit SEW-Frequenzumrichter MOVITRAC®

Das Prinzip der Frequenzumrichter MOVITRAC® ist in Kap. 3.1 beschrieben und die von SEWangewandten Betriebskennlinien des Drehstromgetriebemotors in Verbindung mit MOVITRAC® inKap. 3.2. Ausführliche Projektierungshinweise finden Sie in den Katalogen MOVITRAC® und in“Praxis der Antriebstechnik Band 5".

Welche Dimensionierungsrichtlinien gibt SEW:

a) Die generelle Auslegung mindestens in der Wärmeklasse F, sowie Einbau von TemperaturfühlernTF oder Thermostaten TH.

b) Den Betrieb der Motoren mit um einen Typensprung reduzierter Leistung Pr (d.h. anstelle mit derlistenmäßigen Leistung wird der Motor mit der Leistung des nächstkleineren, listenmäßigenMotors betrieben) oder mit Fremdkühlung.

Wegen Drehzahlbereich, Wirkungsgrad und cosϕ sollten nur 4polige Motoren verwendet werden.Folgende Möglichkeiten stehen zur Wahl:

Drehzahlbereich Empfohlene Motorausführung

(bei fmax = 50 Hz) Leistung Kühlungsart 1) Wärmeklasse Temperaturfühler TF

1 : 5 Pr Eigenkühlung F X

1 : 20 und mehr PN Fremdkühlung F X

PN = listenmäßige Motorleistung (ohne Reduktion) 1) auf ausreichende Kühlung der Bremsspule im FallPr = reduzierte Leistung = Ausnutzung mit der Lei- von Bremsmotoren achten (siehe Praxis der Antriebs-

stung des nächstkleineren listenmäßigen Motors technik Band 4)



Mit Drehzahlbereich ist der Bereich gemeint, in welchem der Motor dauernd betrieben wird. Wennkleine Drehzahlen nur kurzzeitig (z.B. beim Anlauf oder Positionieren) gefahren werden, muß dies beider Bereichs-Festlegung nicht berücksichtigt werden.

Bei der Wahl der Maximaldrehzahl im Feldschwächbereich über die Festlegung der Maximalfrequenzmuß beachtet werden, daß sich das Bemessungsdrehmoment MN (bezogen auf Bemessungsfre-quenz, z.B. 50 Hz) reziprok reduziert, das Kippmoment MK jedoch umgekehrt quadratisch. Um einenkippsicheren Betrieb zu gewährleisten, muß das Verhältnis MK/MN > 1 bleiben (wir empfehlenmindestens 1,25, siehe Bild 13).

Der Parallelbetrieb von mehreren Motoren an einem Umrichter garantiert nicht Gleich- oder Syn-chronlauf. Entsprechend der Belastung der einzelnen Motoren kann sich die Drehzahl durch Schlupfbis ca. 100 min-1 zwischen Leerlauf und Nennlast verringern. Die Drehzahlabweichung ist über denganzen Drehzahlbereich annähernd konstant und kann auch nicht durch Schlupf- und IxR-Kompen-sation am Umrichter ausgeglichen werden. Die Einstellmaßnahmen am Umrichter betreffen zwangs-läufig alle Motoren, also auch die momentan unbelasteten.

Das Zu- und Abschalten von einzelnen Motoren an einer MOVITRAC®31-gespeisten Sammelschieneist ohne Einschränkung möglich. Zu beachten ist jedoch, daß die Summe der Motornennströmemaximal den Umrichternennstrom ergibt bzw. 125% des Umrichternennstromes bei quadratischerBelastung sowie Betrieb mit konstantem Drehmoment ohne Überlast.

Werden polumschaltbare Motoren eingesetzt und diese während des Betriebes umgeschaltet, so istzu beachten, daß beim Umschalten vom nieder- in den höherpoligen Zustand der Motor generatorischbetrieben wird. Für diesen Fall muß der Umrichter mit einen ausreichenden Bremswiderstandversehen sein, ansonsten kann eine Abschaltung wegen Zwischenkreis-Spannungsüberhöhungerfolgen. Beim Umschalten vom höher- in den niederpoligen Zustand des Motors wird der Umrichtermit einem zusätzlichen Umschaltstrom belastet. Er muß hierfür genügend Stromreserve haben, sonsterfolgt eine Abschaltung wegen Überlast.

Bei Parallelbetrieb mehrerer Motoren an einem Umrichter ist jede einzelne Motorzuleitung mit einemthermischen Überstromrelais (oder Motorschutzschalter als kombinierter Leistungsschutz) auszu-statten, denn die strombegrenzende Wirkung des Umrichters bezieht sich gemeinsam auf alle parallelbetriebenen Motoren.

0 50 60 70 80 90 100 110 1200

0,5

1

1,5

2

2,5

3

f / Hz

+25%

MMN

M = 1,8 MK N

M = 2,2 MK N

M = 2,5 MK N

M = 2,8 MK N

M = 3,0 MK N

MN 50 Hz

1300643ADE

Bild 13: Quadratisch abnehmendes Kippmoment



3.5 Netzanschluß

Der Netzanschluß ist in den Technischen Daten der MOVITRAC®-Geräte definiert. Auf eine Span-nungsanpassung durch Spartransformatoren kann aufgrund des Weitspannungsbereiches dieserGeräte weitgehend verzichtet werden.

3.6 Optionen

Die Frequenzumrichter MOVITRAC® können je nach Bedarf mit zusätzlichen Funktionen ergänztwerden. Aufgrund der vielen Optionsmöglichkeiten können eine große Anzahl von Applikationen mitden Frequenzumrichtern der MOVITRAC®-Familie gelöst werden.

Für MOVITRAC® 31C beispielsweise stehen Anwendungsoptionen (Drehzahlregelung, Ein-/Ausga-befunktionen, Synchronlaufregelung, Positioniersteuerung), Bremswiderstände, EMV-Optionen(EMV-Module, Netzfilter, Ausgangsfilter, Ausgangsdrossel) und Kommunikationsoptionen (Handbe-diengerät, serielle Schnittstellen, Feldbus-Schnittstellen) zur Verfügung.



4 Servoantriebe

Ausführliche Informationen zu Servoantrieben finden Sie in den Katalogen “Servogetriebemotoren”und “MOVIDYN® Servoumrichter" und in “Praxis der Antriebstechnik Band 7".

4.1 Definition des Servoantriebes

In der modernen Antriebstechnik werden bei vielen Anwendungen hohe Anforderungen gestellt an:

• Positioniergenauigkeit

• Drehzahlgenauigkeit

• Regelbereich

• Drehmomentkonstanz

• Überlastfähigkeit

• Dynamik

Die Ansprüche an die Dynamik, also das zeitliche Verhalten eines Antriebes, resultiert aus immerschneller werdenden Bearbeitungsvorgängen, einer Erhöhung der Taktzeiten und der damit verbun-denen Produktivität einer Maschine.

Die hohe Genauigkeit bestimmt sehr häufig die Anwendungsmöglichkeiten eines Antriebssystemes.Diesen Ansprüchen muß ein modernes dynamisches Antriebssystem gerecht werden.

Servoantriebe sind Antriebssysteme, die ein dynamisches, hochgenaues und überlastfähiges Verhal-ten in einem großen Drehzahlstellbereich aufweisen.

Das Wort “servo” ist vom lateinischen “servus” abgleitet, was mit Diener, Sklave oder Helfer übersetztwird. In der Werkzeugmaschinenbranche waren die Servoantriebe überwiegend Hilfsantriebe. Dieshat sich jedoch geändert, so daß heute auch Hauptantriebe in Servotechnik realisiert werden.

4.2 Der permanenterregte Synchronmotor

Der permanenterregte Synchronmotor, teilweise auch elektronisch kommutierter Motor oder bür-stenloser DC-Motor genannt, erfüllt die Anforderungen an einen Servomotor am besten. Der Ständerläßt sich direkt mit dem des Asynchronmotors vergleichen. Der geblechte Läufer hat aufgeklebteMagnete, die für ein konstantes Läufermagnetfeld sorgen. Die Motoren sind üblicherweise ingeschlossener Bauform (IP 65) gebaut und eigenbelüftet.

Der Motor kann mit unterschiedlichen Stromeinprägeverfahren betrieben werden. Nachfolgend wirddas sinuskommutierte Verfahren erläutert. Dieses Verfahren wird bei den Servoantrieben von SEWangewendet.

Servoantriebe4


Es werden alle drei Phasen durch einen abgestimmten Servoumrichter MOVIDYN® gleichzeitigbestromt. Strom, induzierte Spannung und Fluß sind sinusförmig. Dadurch wird eine Drehmoment-und Drehzahlkonstanz auch bei kleinen Drehzahlen erreicht. Zusatzmaßnahmen in der mechanischenAusführung der Motoren unterstützen dies.

Die sinusbestromten Motoren werden in der Regel mit Resolvern als Gebersystem ausgestattet.Resolver sind elektrisch und mechanisch robuste Drehsensoren. Eine ausgereifte Auswerteelektronikermöglicht die Erkennung von Drehzahl und absoluter Lage des Rotors. Als “Abfallprodukt” generiertdie Auswerteelektronik inkrementelle Wegsignale, wie sie ein Drehimpulsgeber liefert. Diese Signalekönnen von einem Positioniersystem genutzt werden. Durch den Wegfall eines zusätzlichen Impuls-gebers können beim Material- und Verdrahtungsaufwand Kosten gespart werden.

iU

iW

iV

iW

φU

φV

φW

iU

iV

γel

γel

γel

γel

γel

γel

γel

γel

γel

t1 t2

N

S

W2U1

V2

V1

W1 U2

N

S

W2U1

V2V1

U2W1

u1

v1

w1

u2

v2

w2

360°

Uind W

Uind V

Uind UUL W

UL V

UL U Uind U

Uind V

Uind W

Lage des Rotors zum Zeitpunktt t1 2

Ersatzschaltbild

Strom, Spannung und Fluß über der Zeitbei konstanter Drehzahl

~

~

~

U : Durch die Drehung des Läufers induzierte Spannung (EMK)

U : Spannungsfall an der Induktivität

ind

L

14MD0106BD

Bild 14: Sinusförmige Kommutierung, Wicklungsstrom und induzierte Spannung werden in Phase gehalten

15MD0090AD

Bild 15: Reglerstruktur mit Geber beim sinuskommutiertem Motor

Servoantriebe 4


4.2.1 Aufbau und Wirkungsweise

Synchronmotoren sind Drehfeldmotoren, bei denen Ständerdrehfeld und Läuferdrehfeld synchronlaufen. Durch die räumliche Anordnung der Ständerspulen und die zeitliche Phasenfolge desEingangsstroms wird ein Drehfeld erzeugt.

Die Drehzahl des Drehfeldes nd berechnet sich zu:

f = Frequenz der angelegten Spannungp = Polpaarzahl des Ständers

Die SEW-Synchronmotoren sind immer als 6polige (p = 3) Motoren ausgeführt. Nachfolgende Tabellezeigt die Abhängigkeit der Drehzahl von der Frequenz bei p = 3:

f [Hz] 100 150 225

nd [min-1] 2000 3000 4500

Die permanenterregten SEW-Synchronmotoren sind deshalb 6polig ausgeführt, weil bei dieserPolzahl die Eisenverluste bei 3000 min-1 (150 Hz) gering sind und gleichzeitig eine gute Drehmo-mentkonstanz bei geringem Magnetbedarf erzielt werden kann. Die Wicklung der SEW-Synchronmo-toren ist in Sternschaltung ausgeführt. Der Sternpunkt ist nicht zugänglich.

Der Ständer (Stator) besteht, wie beim Asynchronmotor, aus dem Gehäuse, dem Blechpaket und derStänderwicklung. Der Läufer (Rotor) besteht aus Welle, Rotorblechen und aufgeklebten Permanent-magneten. Um eine größere Dynamik des Motors zu erhalten, werden die Bleche des Rotors nichtmassiv, sondern mit Aussparungen ausgeführt. Dadurch sinkt das Massenträgheitsmoment desLäufers und somit die Hochlaufzeit des Motors.

1 432 5 6

1600037AXX

Erläuterung: 1. Ständer 4. Läufer mit Permanentmagneten2. Ständerwicklung 5. Resolver3. Ständerblechpaket 6. Bremse

Bild 16: Schnittbild vom permanenterregten Sychronmotor mit Bremse

nf 60

pd = • −min 1

Servoantriebe4


Wird der Synchronmotor mit konstanter Frequenz der Anschlußspannung betrieben, ist die Läufer-drehzahl gleich der Drehfelddrehzahl. Belastet man den Motor, so ergibt sich eine Verschiebung desLäuferdrehfeldes bezogen auf das Ständerdrehfeld. Die Pole des Polrads (Läufer) eilen denen desStänderdrehfeldes um einen bestimmten Winkel, dem Polradwinkel α, nach. Das Drehmoment wirdzunächst um so größer, je größer der Polradwinkel ist. Beträgt der Winkel genau 90°, d.h. die Poledes Läufers liegen genau zwischen zwei Ständerpolen, ist die Kraft, die auf den Läufer wirkt, maximal.Wird der Polradwinkel weiter vergrößert, d.h. der Motor wird überlastet, nimmt das Drehmomentwieder ab, der Motor befindet sich in einer instabilen Betriebslage → der Motor bleibt stehen.

4.2.2 Motorführung

Um den Synchronmotor mit dem größtmöglichen Drehmoment betreiben zu können, muß sicherge-stellt werden, daß der Polradwinkel α immer 90° elektrisch beträgt. Im motorischen Betrieb muß dasStänderdrehfeld demnach stets um 90° elektrisch vorauseilen, im generatorischen Betrieb stets um90° elektrisch nacheilen. Die Aufgabe der Motorführung durch den Servoumrichter MOVIDYN®

besteht darin, die Sollwerte für die drei Phasenströme des Motors aus einem vorgegebenenDrehmoment zu berechnen, sowie die Stromsollwerte für die Aufteilung der Bestromung derStänderwicklung aus einer Tabelle auszulesen.

Dazu wird die Rotorlage mit Hilfe des Lagegebers erfaßt. Zu dem erhaltenen Wert des Lagewinkelswerden im Servoumrichter MOVIDYN® je nach Drehrichtung und Drehmomentrichtung 90° elek-trisch addiert oder subtrahiert und die dazugehörigen Ströme berechnet. Zu jeder Rotorlage wird dieentsprechende Lage des Ständerstromsystems ermittelt, d.h. der Rotor bestimmt die Richtung desStänderstromsystems. Bei dem in diesem Zusammenhang erwähnten Polradwinkel α handelt es sichum den elektrischen Winkel, bei einem 6poligen Motor entsprechen 90° elektrisch 30° mechanisch.

Wie in Bild 17 dargestellt, ist das Drehmoment ander Motorwelle abhängig vom Polradwinkel. Zuverstehen ist darunter der elektrische Winkel zwi-schen den Feldlinien der Stator- und Rotormagne-tisierung. Die Rotorlage und somit das Rotorfeldsind durch den Rotorlagegeber (Resolver) be-kannt. Die Statorbestromung wird entsprechendden Drehmomentanforderungen vom Servoum-richter MOVIDYN®gestellt.

BS: Magnetfeld, bedingt durch StatorbestromungBR: Magnetfeld, bedingt durch die Permanentmagnete

-180 °

-90 °

M

0 +90 ° +180°

α

M = f(sin )α

17MD0092AX

Bild 17: Verlauf des Drehmoments über dem Polradwinkel beim Synchronmotor an fester Frequenz

1800760AXX

Bild 18: Verlauf der Magnetfelder BS und BR

Servoantriebe 4


4.2.3 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie

Bei der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des betrachteten Servomotors werden drei Grenzen sicht-bar, die bei der Projektierung eines Antriebes berücksichtigt werden müssen.

1) Das maximale Drehmoment eines Motors wird u.a. begrenzt durch die Belastbarkeit der Dauer-magnete. Wird ein Motor zu stark belastet und der Strom steigt auf zu hohe Werte an, werden dieMagnete entmagnetisiert und der Motor “verliert sein Drehmoment”. Bei richtiger Auswahl undAnpassung von Motor und Umrichter kann keine Entmagnetisierung auftreten.

2) Drehmomenteinschränkungen im oberen Drehzahlbereich ergeben sich aufgrund der Klemmen-spannung. Diese ist abhängig von der Zwischenkreisspannung und dem Spannungsfall auf denLeitungen. Aufgrund der Gegen-EMK (induzierte Spannung im Motor) kann der maximale Stromnicht mehr eingeprägt werden. Daraus resultiert ein geringeres Drehmoment.

3) Eine weitere Grenze ist die thermische Auslastung des Motors. Bei der Projektierung wird dasEffektivdrehmoment ausgerechnet. Dies muß kleiner sein als das Stillstandsdrehmoment M0. EinÜberschreiten der thermischen Grenze kann eine Entmagnetisierung der Magnete oder eineBeschädigung der Wicklungsisolation zur Folge haben.

U = UNReduzierung bei U = 0,9 UN

0

10

20

30

40

50

60

70

n

M

[Nm]

Mmax

S3 (25 % ED)

S3 (40 % ED)

S3 (60 % ED)

S1 (100 % ED)

n = 2000 1/minN n = 4500 1/minNn = 3000 1/minN

DFY 112ML

80

50004000300020001000 [1/min]0

1)

2) 2)2)

3)

1900226ADE

Bild 19: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des SEW-Servomotors DFY 112ML

Servoantriebe4


4.2.4 Resolver

Der Resolver arbeitet nach dem Prinzip eines Drehtransformators. Beim Drehtransformator bestehtder Rotor aus einer Spule (Wicklung), die mit der Statorwicklung einen Transformator bildet. DerResolver ist prinzipiell genauso aufgebaut, mit dem Unterschied, daß der Stator nicht aus einer,sondern aus zwei um 90° zueinander versetzten Wicklungen aufgebaut ist. Der Resolver dient zurErmittlung der absoluten Lage der Motorwelle innerhalb einer Umdrehung. Außerdem wird aus demResolversignal die Drehzahl und eine Inkrementalgebersimulation für die Lageregelung abgeleitet.

Der Rotor des Resolvers ist auf der Welle des Motors befestigt. Um die Primärspannung bürstenlosauf den Rotor übertragen zu können, wird auf dem Stator und dem Rotor jeweils eine weitere Wicklungangebracht. Aus den beiden um 90° versetzten sinusförmigen Ausgangsspannungen U1 und U2lassen sich der Drehwinkel des Läufers, die Drehzahl und ein inkrementales Lagesignal (Inkremen-talgebersimulation) ermitteln.

4.3 Der SEW-Servoumrichter MOVIDYN®

20MD0116AX

Bild 20: Resolver

U1

URU2

γ

21MD0108AX

Bild 21: Schematischer Aufbau

22MD0061AX

Bild 22: Servoumrichter in modularer Bauweise

23MD0104AX

Bild 23: Kompakt-Servoumrichter

Servoantriebe 4


Der digitale Servoumrichter MOVIDYN®dient zur Drehzahl- und Drehmomentregelung des SEW-Ser-vomotors. Die SEW-Servoumrichter MOVIDYN® werden sowohl als Kompakt-Servoumrichter alsauch in modularer Bauform vornehmlich für Mehrmotoren-Antriebe ausgeführt.

Kompakt-Servoumrichter haben den Vorteil, daß der Servoumrichter als komplette Einheit zurVerfügung steht. Gleichzeitig entfällt die zusätzliche Verdrahtung zwischen den einzelnen Gerätekom-ponenten, wie sie beim modularen System notwendig ist.

Die Vorteile des modular aufgebauten Servoumrichters (Netzmodul und Achsmodul) liegen imBereich der Mehrmotorenanwendungen. Bei Mehrmotorenanwendungen können über ein Netzmodulmehrere Achsmodule versorgt werden. Dabei wird die Leistung des Netzmoduls von der Gesamtlei-stung der angeschlossenen Achsmodule und deren Auslastung bestimmt.

4.3.1 Netzmodule MOVIDYN®

MOVIDYN®-Netzmodule enthalten den Eingangsgleichrichter, den Gleichspannungszwischenkreisdes Servoumrichters, den Bremschopper oder die Netzrückspeisung, ein Schaltnetzteil, die notwen-digen Schutzfunktionen und die Kommunikationsschnittstellen.

Überschüssige Bremsenergie:

Beim Abbremsen eines Antriebes wird kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt und inden Zwischenkreis zurückgespeist. Da der Zwischenkreiskondensator nur eine begrenzte Kapazitäthat, steigt die Spannung im Zwischenkreis an. Damit der Antrieb abgebremst werden kann, mußgewährleistet sein, daß die überschüssige Energie abgeführt wird.

Es ist daher notwendig, die überschüssige Energie zu speichern oder in andere Energieformenumzuwandeln.

Hierfür gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten:

1. Netzrückspeisung (Nutzung der elektrischen Energie durch andere Verbraucher)

2. Bremschopper und Bremswiderstand (Umwandeln der Energie in Wärme)

3. Energieaustausch bei Mehrmotorenanwendungen (Nutzung der elektrischen Energie von an-deren angeschlossenen Motoren)

Mit MOVIDYN®-Netzmodulen können entweder 1. und 3. oder 2. und 3., je nach Ausrüstung, genutztwerden.

Servoantriebe4


4.3.2 MOVIDYN®-Achsmodule

Der Anschluß des Achsmoduls an das Netzmodul erfolgt mit Stromschienen und Datenbus. DieAchsmodule enthalten die Wechselrichter, mit denen die Servomotoren versorgt werden.

Die Achsmodule können in den Betriebsarten “Drehzahlregelung” oder “Drehmomentregelung”betrieben werden. Sie liefern sinusförmige Ausgangsströme, so daß schon bei kleinen Drehzahlenein exakter Rundlauf mit geringster Drehmomentwelligkeit gewährleistet ist. Dadurch werden auchdie Verluste im Motor minimiert und es wird für eine gute Ausnutzung der Motorleistung gesorgt.

Die Parametrierung der Achsmodule und der Optionskarten erfolgt mit einem PC über die Standard-Schnittstelle RS-232, mit einer SPS über die Schnittstelle RS-485 oder über optionale Feldbus-Schnittstellen.

InkrementalgebersimulationAus den Ausgangssignalen des Resolvers werden sechs Spuren erzeugt, die für übergeordneteSteuerungen zur Positionierung verwendet werden. Dies sind die Spuren A, B und C und ihreinvertierten Signale A, B und C.

Die Inkrementalgebersimulation liefert 1024 Impulse je Umdrehung. Diese können von Positionier-steuerungen mit Impulsvervielfachung in der Auflösung verdoppelt oder vervierfacht werden. EineMotorumdrehung kann somit in 4096 Impulse aufgelöst werden. Die Impulse von Kanal A und B sindum 90° verschoben. Bei Rechtslauf eilen die positiven Flanken der Impulse des Kanals A denen desKanals B vor und umgekehrt. Kanal C liefert für jede volle Umdrehung des Motors ein Signal, das alsReferenzsignal ausgewertet werden kann.

4.3.3 Optionen

Die Servoumrichter MOVIDYN® können je nach Bedarf mit zusätzlichen Funktionen ergänzt werden.Aufgrund der vielen Optionsmöglichkeiten können eine große Anzahl von Applikationen gelöstwerden. Durch Verlagerung von Funktionen in den Servoumrichter kann ein bisher notwendigesZusatzgerät eingespart werden.

Für MOVIDYN® stehen Anwendungsoptionen (Ein-/Ausgabefunktionen, Positioniersteuerung),Bremswiderstände und EMV-Optionen (Netzfilter, Ausgangsdrossel) und Kommunikationsoptionen(serielle Schnittstellen, Feldbus-Schnittstellen) zur Verfügung.

90°

90°

180°360°

A

A

B

B

C

C

24MD0114AD

Bild 24: Inkrementalgebersimulation

Servoantriebe 4


4.3.4 Kompakt-Servoumrichter MOVIDYN®

MOVIDYN®-Kompakt-Servoumrichter werden bevorzugt für kleinere Einzelantriebe eingesetzt. Sieenthalten alle Funktionen der modularen Servotechnik mit Ausnahme der Netzrückspeisung. Siekönnen mit allen verfügbaren Optionen erweitert werden.

4.4 Projektierung mit SEW-Servoumrichter MOVIDYN®

Klären von- techn. Daten- Randbedingungen- Systemanbindung

Berechnung des ArbeitszyklusFahrdiagramm

GetriebeauswahlBerechnung von- Getriebeabtriebsdrehzahl- Stat. LastdrehmomentGeforderte PositioniergenauigkeitFestlegen der Getriebeübersetzung

Motorauswahl- Umrechnung von Drehmoment und

Drehzahl auf die Motorwelle- Bestimmung der Massenträgheitsmomente- Berechnung des dyn. Drehmomentbedar fs

Überprüfen von- max. auftret. Drehmoment M < 3 x M- geforderte Motordrehzahl < n- Massenträgheitsverhältnis J /J < 10- thermische Belastung M < M

max 0

N

ext Mot

eff 0

Überprüfen der Getriebeauslastung

Kompakt-Servoumrichter

ModulareServoumrichter

Auswahl des MOVIDYN Servoumrichters®

- Motor-Umrichter-Zuordnung- benötigter Spitzenstrom- Belastbarkeit I = f(n , t )max max a

Auswahl der MOVIDYN Achsmodule®

- Motor-Umrichter-Zuordnung- benötigter Spitzenstrom- Belastbarkeit I = f(n , t )max max a

Zubehör- Optionen (USS, AIO, NF.. , ...)

Auswahl des MOVIDYN Netzmoduls- benötigter Zwischenkreisstrom/-leistung- Anzahl der Achsen- Gleichzeitigkeitsfaktor

Auswahl des Summenkühlkörpers- entsprechend der Berechnung der

Verlustleistung- Anzahl der Module

Zubehör- Netzdrossel- Datenbuskabel DBK- Optionen (USS, AIO, NF.. , ...)

Auswahl des Bremswiderstandes- anhand der berechneten Bremsleistung

und ED

Komponentenzusammenstellung

Modular /Kompakt

?

2500787ADE

Bild 25: Schematischer Ablauf der Projektierung

Servoantriebe4


5 Gleichstromantriebe

Ausführliche Informationen zu Gleichstromantrieben finden Sie im Katalog “Gleichstromgetriebemo-toren” und in “Praxis der Antriebstechnik Band 2".

5.1 Funktion des Gleichstrommotors

Der Gleichstrommotor benötigt zum Betrieb einenStromrichter mit Gleichspannungsausgang. Er be-sitzt verschiedene Wicklungen wie Anker-, Erre-ger-, Wendepol- und Kompensationswicklungen,die sowohl im Stator als auch auf dem Rotorangeordnet sind. Die Spannungs- bzw. Strom-übertragung auf den Rotor erfolgt über die Kohle-bürsten und den Kommutator. Die Kohlebürstensind Verschleißteile und machen den Gleichstrom-motor zu einem Motor, der einen Mindestaufwandan Wartung in bestimmten Zeitintervallen benötigt.

5.2 Nebenschluß-, Reihenschlußmotor

Man unterscheidet je nach Schaltung der Erregerwicklung (= Feldwicklung) zwei in ihrer Drehmo-ment-Drehzahl-Charakteristik grundsätzlich unterschiedliche Varianten:

1. Gleichstromnebenschlußmotor2. Gleichstromreihenschlußmotor

Gleichstromnebenschlußmotoren haben ähnlich wie Drehstromkurzschlußläufermotoren ein stabilesDrehzahlverhalten. Gleichstromreihenschlußmotoren hingegen verhalten sich sehr weich. Sie entwik-keln bei geringer Belastung eine sehr hohe Drehzahl, die mit zunehmender Belastung stark absinkt.

Nebenschlußmotoren werden aufgrund der guten Regeleigenschaften in der Industrie bevorzugt.Reihenschlußmotoren werden nur für Sonderanwendungen verwendet.

Die folgenden Informationen beziehen sich auf den Gleichstromnebenschlußmotor.

2600644AXX

Bild 26: SEW-Gleichstromnebenschlußmotor

+

-

M

+

-

M

1. Gleichstrom-nebenschlußmotor

2. Gleichstrom-reihenschlußmotor

2700645ADE

Bild 27: Schaltungen von Gleichstrommotoren

n

00 IA

nN

IAN

Reihenschluß-motor

Nebenschluß-motor

2800646ADE

Bild 28: Drehzahlkennlinien von Gleichstrommotoren

Gleichstromantriebe 5


5.3 Drehzahlstellung

Die Drehzahlstellung bei Gleichstrommotoren wird durch Veränderung der Gleichspannung realisiert.Man definiert den Ankerstellbereich bei konstantem Erregerstrom (magnetischer Fluß) und denFeldstellbereich bei konstanter Ankerspannung. Bild 29 stellt Erregerstrom, Drehmoment, Leistung,Ankerspannung und Ankerstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl dar. Am häufigsten wird dieDrehzahlverstellung mit der Ankerspannung bei konstantem Erregerstrom angewendet.

5.4 Leistung, Welligkeit, Formfaktor

Das Typenschild des Gleichstrommotors trägt die Bemessungsdaten wie Bemessungsleistung,Bemessungsdrehzahl, Ankerspannung, Ankerstrom, Erregerspannung, Erregerstrom usw..

Die angegebene Bemessungsleistung auf dem Typenschild bezieht sich bei einem Gleichstrommotorauf einen gleichförmigen Strom. Bei Batteriebetrieb oder einem reinen Gleichstromnetz entsprichtdie Wellenleistung der angegebenen Nennleistung. Bei Betrieb des Gleichstrommotors an einemStromrichtergerät entsteht jedoch je nach Art des Stromrichters (1-, 2-, 3- oder 6-pulsiges Gerät)ein pulsierender Gleichstrom (Bild 30).

I , U ,P, M, IA A

Err

0 ng nk nh n

IA

UA

P

M

IErr

Anker-stellbereich

Feldstellbereichmit konstantemAnkerstrom

Feldstellbereichmit vermindertenAnkerstrom

2900647ADE

IA = Ankerstrom UA = AnkerspannungIErr = Erregerstrom ng = Grunddrehzahlnk = Kommutierungsdrehzahl nh = höchstzulässige Drehzahl bei Feldschwächung

Bild 29: Betriebskennlinien

Gleichstromantriebe5


Der pulsierende Gleichstrom erzeugt ein geringeres Drehmoment in der Gleichstrommaschine alsreiner Gleichstrom. Die Verluste im Motor werden durch die Oberwellen, die dem reinen Gleichstromüberlagert sind (ausgedrückt durch Welligkeit w und Formfaktor F), größer. Dadurch wird der Motorstärker erwärmt.

Eine Glättung des Gleichstromes durch entsprechende Induktivitäten ist hier die einfachste Lösung.Der Ankerkreis der Gleichstrommaschine hat zwar auch eine Ankerkreisinduktivität, die aber in vielenFällen nicht ausreicht, um eine Mindestwelligkeit von Strom und Spannung zu unterschreiten. Hiermuß dann eine zusätzliche Ankerkreisdrossel eingesetzt werden.

Die angegebene Nennleistung des SEW-Gleichstrommotors wird bis zu einer Stromwelligkeit von32% oder Formfaktor F = 1,05 gewährleistet (Bild 31). Bei größerem Formfaktor bzw. größererWelligkeit muß eine Momenten- bzw. Lastreduzierung vorgenommen werden. Da die Motoren jedochselten konstant mit Nennlast bei ungünstiger Aussteuerung betrieben werden, empfiehlt sich dieAuslegung auf F = 1,11 bei ungünstiger Aussteuerung.

3000648ADE

T = Periodendauer Id = MittelwertF = Formfaktor I = Effektivwertw = Welligkeit î = Spitzenwert

Bild 30: Kurvenform des Gleichstroms bei verschiedenen Stromrichterschaltungen

3100649ADE

Bild 31: Drehmomentreduktion abhängig von Formfaktor F bzw. Welligkeit w



Bei vollgesteuerter Drehstrombrückenschaltung kann meist auf eine Glättungsdrossel verzichtetwerden. Eine Nachrechnung ist auf jeden Fall erforderlich. Die Induktivität der zusätzlichen Anker-drossel für ungünstigste Aussteuerung und F = 1,11 kann aus folgender Formel ermittelt werden:

IAN = Ankernennstrom des Motors in ALD = Induktivität der Drossel in mHLA = Ankerkreisinduktivität in mHC = Faktor für die Schaltungsart und Netzspannung des Stromrichters für 50 Hz

(bei fNetz = 60 Hz muß C um 17% reduziert werden)

vEB = vollgesteuerte Einphasen-BrückenschaltunghEB = halbgesteuerte Einphasen-BrückenschaltungvDB = vollgesteuerte Dreiphasen-Brückenschaltung

Bei gegebener Drossel läßt sich die Welligkeit in % wie folgt errechnen:

Der Formfaktor ergibt sich wie folgt:

Die Leistung des Gleichstrommotors errechnet sich wie folgt:

Pauf = aufgenommene (Anschluß-)Leistung in WPab = abgegebene (Wellen-, Nenn-)Leistung in WUA = Ankerspannung (Mittelwert) in VIA = Ankerstrom (Mittelwert) in Aη = Motorwirkungsgrad

Die Kohlebürsten der SEW-Gleichstrommotoren sind für den Bereich 50 - 150% des Nennstromesoptimiert. Kurzzeitige Überschreitung bis zum 2fachen Nennstrom ist ohne weiteres möglich.Dauernder Betrieb mit weniger als 50% des Nennstromes ist einerseits unwirtschaftlich und kannandererseits zu erhöhtem Bürstenabrieb (durch kalte Kommutierung) führen. Eine sicherheitshalbervorgenomme erhebliche Überdimensionierung ist aus diesen Gründen zu vermeiden.

FII

1 weff

D

2= = +e j

P U I P1

P P

auf A A ab

ab auf

= • = •

= •

η

η

W

W

w48,2 C

L L ID A AN= •

+ •b g%

Schaltungsart C bei Netzanschluß (50 Hz)

230 VDC 400 VDC 500 VDC

vEB 630 1090

hEB 400 690

vDB 85 145 190

Faktor C abhängig von der Schaltungsart

LC

IL mHD

ANA= −



5.5 Einschaltung und Überlastbarkeit von Gleichstrommotoren

SEW-Gleichstrommotoren bis 0,5 kW können direkt an einem starren Gleichstromnetz eingeschaltetwerden. Motoren über 0,5 kW müssen mit entsprechendem Anlaßverfahren angelassen werden. BeiBetrieb mit einem Stromrichter wird der Anlaufstrom des Gleichstrommotors durch den Stromrichterbegrenzt. Gleichstrommotoren sind unabhängig von ihrer Betriebsart und Ausführung 15 Sekundenlang bei Nennspannung bis zum 1,6fachen Nennmoment belastbar.

5.6 Ankerspannungsregelung, Drehzahlregelung

Gleichstromnebenschlußmotoren haben ein ähnliches Drehzahlverhalten wie Drehstromkurzschluß-läufermotoren (Bild 28). Die Differenz zwischen Drehzahl bei Leerlauf und bei Belastung wird mitgrößeren Motoren kleiner. Diese Drehzahldifferenz kann jedoch bei Stellbereichen bis 1:40 weitge-hend durch die sogenannte Ankerspannungsregelung mit IxR-Kompensation im Stromrichtergerätausgeglichen werden. IxR-Kompensation bedeutet, daß der Spannungsfall am AnkerwiderstandIA•RA durch entsprechende Ankerspannungserhöhung vom Stromrichtergerät ausgeglichen wird. BeiDrehzahlstellbereichen über 1:40 oder bei größerer geforderter Regelgenauigkeit wird eine Drehzahl-regelung mit Istwertmessung durch einen Istwertgeber am Motor angewendet.

5.7 Kühlung

Üblicherweise sind die SEW-Gleichstrommotoren eigenbelüftet. Bei verringerter Drehzahl erfolgtsomit eine geringere Kühlung des Motors. Hier muß entweder abhängig vom Stellbereich eineLeistungsreduzierung vorgenommen oder Fremdbelüftung verwendet werden.

Bei Kühlmitteltemperaturen über 40°C und Aufstellhöhe über 1000 m gelten für Gleichstrommotorendie gleichen Leistungsreduzierungen wie für Drehstrommotoren.

5.8 Schalthäufigkeit

Der Schalthäufigkeit bei Gleichstrommotoren werden Grenzen gesetzt durch:

- die Erwärmung in der Wicklung- die Kommutatorbelastung

5.8.1 Erwärmung der Wicklung

Der Gleichstrommotor wird je nach Anforderung mit einem Anlaufstrom vom 1- bis 2fachen desNennstromes angelassen. Die Erwärmung des Gleichstrommotors durch Anläufe ist daher geringerals beim Drehstrommotor, der bei direkter Einschaltung am Netz mit dem 5- bis 6fachen desNennstromes anfährt. Eine Fremdbelüftung sorgt auch bei kleinen Drehzahlen für ausreichendeWärmeabfuhr.



5.8.2 Kommutatorbelastung

Wird die gewünschte Schalthäufigkeit durch Wicklungserwärmung nicht eingeschränkt, so kann derKommutator die Grenze der Schalthäufigkeit bestimmen. Bei großer Schalthäufigkeit können amKommutator Einbrandspuren auftreten, die durch den nachfolgenden kurzen Normalbetrieb nichtwieder geglättet werden. Ein erhöhter Verschleiß des Kommutators ist die Folge. Im Zweifel sollteder Motorenhersteller zu Rate gezogen werden.

5.9 Schutzarten, Isolation, Toleranzen

Schutzarten und Isolation der SEW-Gleichstromgetriebemotoren entsprechen denen der Drehstrom-getriebemotoren mit Ausnahme von IP65 und Explosionsschutz.

Die Drehzahltoleranzen sind der nachfolgenden Tabellle zu entnehmen:

P2/nN x 1000 Toleranzen

< 0,67 ± 15%

≥ 0,67 bis 2,5 ± 10%

≥ 2,5 bis 10 ± 7,5%

≥ 10 ± 5%P2 = Nennleistung in KWnN = Nenndrehzahl in min-1



6 Drehstromantriebe mit mechanischen Verstellgetrieben

Ausführliche Informationen zu Verstellgetrieben finden Sie im Katalog “Verstellgetriebemotoren”.

6.1 Verstellgetriebearten

Viele Bewegungsabläufe erfordern Antriebe mit verstellbarer Drehzahl in kleinem Verstellbereich ohnebesondere Anforderungen an die Drehzahlkonstanz, z.B. Transportbänder, Rührer, Mischer usw. Hierwird mit Hilfe von Verstellgetrieben lediglich die Drehzahl der einzelnen Maschinen auf einengünstigen Wert eingestellt.

Die mechanischen Verstellgetriebe werden oft mit einem nachgeschalteten Untersetzungsgetriebekombiniert. Angetrieben werden die Verstellgetriebe durch Drehstromkurzschlußläufermotoren.

Sehr verbreitet sind:1. Reibradverstellgetriebe mit eingeschränktem Drehzahlstellbereich bis ca. 1 : 5.2. Breitkeilriemenverstellgetriebe mit eingeschränktem Drehzahlstellbereich bis ca. 1 : 8.

Die Stellbereiche können durch Einsatz polumschaltbarer Motoren (z.B. 4/8polig) vergrößert werden.

6.2 Regelbarkeit, Verstellzeit

Durch relativ lange Verstellzeiten, je nach Stellbereich 20 - 40 s, ist eine Regelung mit diesen mech.Verstellgetrieben sehr träge. Deshalb werden diese Antriebe nur als Stellantriebe eingesetzt. DieVerstellung der Antriebsdrehzahl erfolgt entweder manuell über Handrad bzw. Kettenrad oderfernbedient durch Verstellmotor. Die Stellung der Verstelleinrichtung oder die Drehzahl wird entwederdirekt am Verstellgetriebe oder durch ein Meßinstrument im Schaltschrank angezeigt.

6.3 Auslegung des Verstellgetriebemotors

Um die Verstellantriebe dimensionieren zu können, müssen neben der benötigten Leistung und demDrehzahlstellbereich die Umgebungstemperatur, die Aufstellhöhe und die Betriebsart bekannt sein.Im folgenden Bild sind die Abtriebsleistung Pa, der Wirkungsgrad und der Schlupf in Abhängigkeitder Übersetzung dargestellt.

3200631AXX

Bild 32: Reibrad-Verstellgetriebemotor VARIMOT ®

und SEW-Flachgetriebe

3300632AXX

Bild 33: Breitkeilriemen-Verstellgetriebemotor VARIBLOC ®

und SEW-Kegelradgetriebe

Drehstromantriebe mitmech. Verstellgetrieben 6


Da mechanische Verstellgetriebe nicht nur Drehzahl-, sondern auch Drehmomentwandler sind,müssen sie nach verschiedenen Kriterien dimensioniert werden:

- nach konstantem Drehmoment- nach konstanter Leistung- nach konstantem Drehmoment und konstanter

Leistung (jeweils in Teildrehzahlbereichen)

Bild 34 zeigt den Verlauf von PA, s und η entsprechend der Messungen an belasteten Verstellgetrie-ben. Das Diagramm zeigt einen engen Zusammenhang zwischen Wirkungsgrad und Schlupf zureingestellten Übersetzung. Aus mechanischen Gründen, wie maximale Reibung zwischen Riemen(Reibscheibe) und maximaler Umfangsgeschwindigkeit sowie geschwindigkeitsabhängigen Reib-werten, gibt es hier keine linearen Zusammenhänge. Um ein Verstellgetriebe optimal einsetzen zukönnen ist daher eine differenzierte Betrachtung der Einsatzfälle notwendig.

6.3.1 Auslegung für konstantes Drehmoment

Die meisten Antriebsfälle benötigen im Verstellbereich ein weitgehend konstantes Abtriebsdrehmo-ment. Hierfür ausgelegte Verstellantriebe können mit einem Drehmoment belastet werden, das sichaus folgender Formel errechnen läßt:

Bei dieser Auslegung bzw. Betriebsart wird das nachgeschaltete Untersetzungsgetriebe im gesamtenStellbereich gleichmäßig belastet. Die volle Auslastung des Verstellgetriebes wird nur bei maximalerDrehzahl erreicht. Bei niedrigen Drehzahlen ist die erforderliche Leistung kleiner als die zulässigeLeistung. Mit der folgenden Gleichung wird die kleinste Leistung bei niedrigster Drehzahl desVerstellbereiches berechnet:

R = Drehzahlstellbereich

Bild 35 zeigt Drehmoment und Leistung in Abhängigkeit von der Drehzahl:

MP 9550

nkonstant [Nm]a

amax

amax=

•=

P1R

P [kW]amin amax= •

3400633ADE

Bild 34: Kennwerte der Verstellgetriebe

Drehstromantriebe mitmech. Verstellgetrieben6


6.3.2 Auslegung für konstante Leistung

Die Abtriebsleistung Pa kann innerhalb des gesamten Verstellbereiches abgenommen und mitfolgender Formel berechnet werden:

Das Verstellgetriebe wird nur bei der niedrigsten Abtriebsdrehzahl ausgelastet. Das nachgeschalteteUntersetzungsgetriebe muß zur Übertragung der dabei entstehenden Drehmomente geeignet sein.Diese Drehmomente können um 200 - 600% höher liegen als bei der Auslegung für konstantesDrehmoment (siehe Kennlinien).

PM n

9550konstant [kW]a

amax amin=•

=

0 00 0

na min na minna max na maxna na

M

MaM = konstanta

Definitionsmoment M = Grenzmoment Mdes Untersetzungsgetriebes

a a max

Pa

Pa min

Pa max

max. Leistunglaut Versuch

3500634ADE

Bild 35: Kennwerte der Verstellgetriebe bei konstantem Drehmoment

0 00 0

na min na minna max na maxna na

Pa

P = P = konstanta a min

Ma

Ma min

Ma max

max. Leistunglaut Versuch Grenzmoment M

des Untersetzungsgetriebesa max

Definitionsmoment (M )a

3600635ADE

Bild 36: Kennwerte der Verstellgetriebe bei konstanter Leistung



6.3.3 Auslegung für konstante Leistung und konstantes Drehmoment

Bei dieser Belastung wird das Verstellgetriebe optimal ausgelastet. Das Untersetzungsgetriebe ist soauszulegen, daß die maximal auftretenden Abtriebsmomente übertragen werden können. Im Bereichna‘ - namax bleibt die Leistung konstant. Im Bereich namin - na‘ bleibt das Drehmoment konstant.

Will man den verfügbaren Verstellbereich des Verstellgetriebes nicht voll nutzen, ist es zweckmäßig,wegen des Wirkungsgrades den zu nutzenden Drehzahlbereich bei den höheren Drehzahlen anzusie-deln. Im oberen Drehzahlbereich ist der Schlupf des Verstellgetriebes am geringsten und dieübertragbare Leistung am größten.

6.4 Betriebsfaktoren

Für die Auswahl der Verstellgetriebe anhand von Auswahltabellen gelten folgende Betriebsfaktoren :

1. fB = Betriebsfaktor für Belastungsart (siehe folgende Tabelle)2. fT = Betriebsfaktor für den Einfluß der Umgebungstemperatur (siehe Bild 38)

Der Gesamtbetriebsfaktor ergibt sich aus fB x fT.

Belastungs-art

fB Erläuterungen Beispiele

I 1,0 gleichförmiger,stoßfreier Be-trieb

Lüfter, leichteTransportbänder,Abfüllmaschinen

II 1,25 ungleichförmigerBetrieb mitmittleren Stößen

Lastaufzüge, Aus-wuchtmaschinen,Kranfahrwerke

III 1,5 starkungleichförmigerBetrieb mit heftigenStößen

schwere Mischer,Rollgänge,Stanzen,Steinbrecher

37

Betriebsfaktoren fB

0 00 0

zulässiger Dreh-momentenverlauf

Pn

nPa

a

aamin

minmax'

= ×

na min n'a na min n''an'ana max na maxna na

Pa

Pa max

Pa min

Ma

Ma max

M x i'a

M x i''a

max. Leistunglaut Versuch

Grenzmoment Mdes Untersetzungsgetriebes

a max

3800636ADE

Bild 37: Kennwerte der Verstellgetriebe bei konstantem Drehmoment und konstanter Leistung

0 20 40 600

1

2

3

°C

A B

fT

Umgebungstemperatur

A = VU/VZ, D16 - D46B = D26 - D46

3900637ADE

Bild 38: Betriebsfaktoren fT

Drehstromantriebe mitmech. Verstellgetrieben6


6.5 Überlastungsschutz

Der vorhandene Motorschutz, gleichgültig welcher Art, schützt nicht die nachfolgenden Getriebe.

Um bei mechanischen Verstellgetrieben nachfolgende Getriebestufen gegen Überlastung zu schüt-zen, kann eine elektronische Überwachung eingesetzt werden. Bei dem elektronischen Überlastungs-schutz werden Motorleistung und Abtriebsdrehzahl des Verstellgetriebes gemessen. Bei konstantemDrehmoment ändert sich die Leistung linear mit der Drehzahl, d.h. bei abnehmender Drehzahl mußsich ebenfalls die Motorleistung verringern. Ist dies nicht der Fall, liegt eine Überlastung vor und derAntrieb wird abgeschaltet. Dieser Überlastschutz eignet sich nicht als Blockierschutz.

Dagegen sind überlastbegrenzende Kupplungen auch als Blockierschutz geeignet.

6.6 Projektierungshinweise

Die Auslegung von Verstellgetrieben ist, wie beschrieben, von verschiedenen Parametern abhängig.Nachfolgend in tabellarischer Form die wichtigsten Projektierungshinweise zu VARIBLOC® undVARIMOT®.

Kriterium VARIBLOC® (Riemengetriebe) VARIMOT® (Reibscheibe)

Leistungsbereiche 0,25...45 kW 0,25...11 kW

Regelbereich 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8 je nach Polzahl desAntriebsmotors und der eintreibendenLeistung.

1:4, 1:5 je nach Polzahl des Antriebsmotorsund der eintreibenden Leistung.

Verstellung imStillstand

Verstellung im Stillstand ist nicht zulässig, dadie Riemenspannung nur bei laufendemAntrieb automatisch nachgestellt wird.

Verstellung im Stillstand ist möglich, solltejedoch betriebsmäßig nicht zu häufigangewendet werden.

Belastungsart Geeignet auch für wechselnde Belastung(Stöße durch Materialzufuhr etc.), Dämpfungdurch den Riemen.

Geeignet nur für gleichförmige Belastung(z.B. Förderbänder), bei Belastungsstößenkann die Reibscheibe durchrutschen unddadurch die Oberfläche beschädigt werden.

EX-Schutz Explosionsschutz für mechanischeVerstellgetriebe ist nicht definiert. AlleTreibriemen sind elektrisch leitfähig undverhindern eine statische Aufladung durchdrehende Teile. In explosionsgefährdeterUmgebung vorzugsweise Umrichterantriebeeinsetzen.

Explosionsschutz für mechanischeVerstellgetriebe ist nicht definiert. DerReibring ist elektrisch leitfähig und verhinderteine statische Aufladung durch drehendeTeile. In explosionsgefährdeter Umgebungvorzugsweise Umrichterantriebe einsetzen.

Verschleiß Der Riemen ist ein Verschleißteil, das nachca. 6000 h unter Nennlast gewechselt werdenmuß. Bei geringerer Belastung ergibt sicheine erheblich längere Lebensdauer.

Verschleißarm, konkrete Angaben überWechselintervalle nicht möglich.

Verstellmöglich-keiten

Handrad oder Kettenrad, elektrische oderhydraulische Fernverstellung.

Handrad, elektrische Fernverstellung.

Anzeigegeräte Analoge oder digitale Anzeigegeräte, analogeAnzeige mit Sonderskala ist üblich.

Analoge oder digitale Anzeigegeräte, analogeAnzeige mit Sonderskala ist üblich,Stellungsanzeige am Gehäuse.



7 Getriebe

Ausführliche Informationen zu SEW-Getrieben finden Sie im Katalog “Getriebemotoren”.

3900650AXX

Bild 39: SEW-Stirnradgetriebemotor Baureihe R...

4000651AXX

Bild 40: SEW-Flachgetriebemotor Baureihe FA...

4100652AXX

Bild 41: SEW-Kegelradgetriebemotor Baureihe K...

4200653AXX

Bild 42: SEW-Schneckengetriebemotor Baureihe S...

4300654AXX

Bild 43: SEW-Planetengetriebemotor Baureihe PSF...

4400655AXX

Bild 44: SEW-Spiroplan®-Getriebemotor Baureihe W...

Getriebe7


7.1 Getriebemotor

Der SEW-Getriebemotor besteht aus einem der vorgenannten Elektromotoren und einem Unterset-zungsgetriebe und bildet eine konstruktive Einheit. Kriterien für die Wahl der geeigneten Getriebeartsind unter anderem Platzverhältnisse, Befestigungsmöglichkeiten und Verbindung mit der Arbeits-maschine. Zur Auswahl stehen Stirnradgetriebe, Flachgetriebe, normale Kegelradgetriebe und Kegel-radgetriebe mit reduziertem Spiel, Schneckengetriebe, spielarme Planetengetriebe und Spiroplan®-Getriebe.

7.2 Abtriebsdrehzahl, Abtriebsdrehmoment

Die Getriebegröße richtet sich nach dem Getriebeabtriebsdrehmoment. Dieses AbtriebsdrehmomentMa errechnet sich aus der Motorabtriebsleistung PN und der Getriebeabtriebsdrehzahl na.

PN in kWna in min-1

η = Getriebewirkungsgrad

Die katalogmäßigen SEW-Getriebemotoren werden entweder durch die abgegebene Leistung oderdas abgegebene Drehmoment bei gegebener Abtriebsdrehzahl beschrieben. Ein weiterer Parameterist dabei der Betriebsfaktor.

7.3 Betriebsfaktor (Stirnrad-, Kegelrad-, Schnecken- und Spiroplan®-Getriebe)

Die Getriebe sind für gleichförmige Belastung und wenige Einschaltungen ausgelegt. Bei Abweichun-gen von diesen Bedingungen ist es notwendig, das errechnete theoretische Abtriebsdrehmomentbzw. die Abtriebsleistung mit einem Betriebsfaktor zu multiplizieren. Dieser Betriebsfaktor wirdwesentlich durch die Schalthäufigkeit, den Massenbeschleunigungsfaktor und die tägliche Betriebs-zeit bestimmt. In erster Näherung können die Diagramme aus Bild 45 genutzt werden. HöhereBetriebsfaktoren ergeben sich bei anwendungsspezifischen Besonderheiten durch entsprechendeErfahrungswerte. Mit dem daraus errechneten Abtriebsdrehmoment kann das Getriebe festgelegtwerden. Das zulässige Getriebeabtriebsdrehmoment muß größer oder gleich dem errechneten sein.

M P9550

nNma N

a= • •η

4500656ADE

* Laufzeit in h/Tag** Zu den Schaltungen zählen alle Anlauf-und Bremsvorgänge sowie Umschaltungen von niedrige auf hohe Drehzahlen

und umgekehrt.

Bild 45: Notwendiger Betriebsfaktor fB

Getriebe 7


StoßgradI gleichförmig, zulässiger Massenbeschleunigungsfaktor #0,2II ungleichförmig, zulässiger Massenbeschleunigungsfaktor #3III stark ungleichförmig, zulässiger Massenbeschleunigungsfaktor #10

Beispiel: Stoßgrad I bei 200 Schaltungen/Stunde und Laufzeit 24h/Tag ergibt fB = 1,35

Bei einigen Applikationen können jedoch auch Betriebsfaktoren > 1,8 auftreten. Diese werden z. B.durch Massenbeschleunigungsfaktoren > 10, durch großes Spiel in den Übertragungselementen derArbeitsmaschine oder durch große auftretende Querkräfte hervorgerufen. In solchen Fällen bitteRückfrage bei SEW.

Die Stoßgrade I bis III werden anhand der ungünstigsten Werte der Massenträgheitsmomente,sowohl extern als auch auf der Motorseite, gewählt. Es kann zwischen den Kurven I bis III interpoliertwerden.

Im SEW-Katalog wird zu jedem Getriebemotor der Betriebsfaktor angegeben. Der Betriebsfaktor stelltdas Verhältnis der Getriebebemessungsleistung zur Motorbemessungsleistung dar.

Die Bestimmung von Betriebsfaktoren ist nicht genormt. Deshalb sind die Angaben über Betriebs-faktoren herstellerabhängig und nicht vergleichbar.

Bei Schneckengetrieben muß zusätzlich noch der Einfluß der Umgebungstemperatur und der Ein-schaltdauer bei der Getriebefestlegung berücksichtigt werden. Bild 46 zeigt die zusätzlichen Betriebs-faktoren für Schneckengetriebe.

Der Gesamtbetriebsfaktor für Schneckengetriebe errechnet sich dann zu:

fB = allgemeiner Betriebsfaktor aus Bild 45fB1 = Betriebsfaktor aus UmgebungstemperaturfB2 = Betriebsfaktor für Kurzzeitbetrieb

Massenbeschleunigungsfaktor = Massenträgheitsmoment auf der Motorseitealle externen Massenträgheitsmomente

1,0 0,6

1,2 0,8

1,4 1,0

fB2

1,6

1,8

-20 0-10 200 4010 6020 8030 100 %ED40 °C

fB1 I

II

III

ED (%) = x 100Belastungszeit(min/h)60

Bei Temperaturen < -20°C bitte Rückfrage bei SEW

4600657ADE

Bild 46: Zusatzbetriebsfaktoren fB1 und fB2 für Schneckengetriebe

f f f fBges B B B= • •1 2

Getriebe7


7.4 Dimensionierung von spielarmen Planetengetriebemotoren Baureihe PSF...

Für die Dimensionierung von Planetengetriebemotoren PSF werden folgende Angaben benötigt:

- Abtriebsdrehmoment Mamax- Abtriebsdrehzahl namax- Querkraft / Axialkraft FRa / FAa- Verdrehwinkel α < 3’, 5’, 6’, 10’ (siehe nachfolgende Tabelle)- Bauform- Umgebungstemperatur- Genaues Belastungsspiel, d.h. Angabe aller erforderlichen Drehmomente und Aktionszeiten

und der zu beschleunigenden und abzubremsenden externen Massenträgheitsmomente.

Spielarme PSF-Getriebe werden wahlweise mit Getriebespiel N (normal) oder reduziertem Spiel Rausgeführt:

N R

PSF 201...901 α < 6’ α < 3’

PSF 202...902 α < 10’ α < 5’

Werden große Motoren an PSF-Getriebe angebaut, so ist eine Motorabstützung ab folgendenMassenverhältnissen erforderlich:

PSF einstufig: mmot / mPSF > 4PSF zweistufig: mmot / mPSF > 2,5

Weitere Projektierungshinweise zu PSF-Getrieben finden Sie in den Katalogen “Spielarme Planeten-getriebe” und “Getriebemotoren”.

7.5 Querkräfte, Axialkräfte

Zusätzliche Kriterien für die Wahl der Getriebegröße sind zu erwartende Quer- bzw. Axialkräfte.Bestimmend für die zulässigen Querkräfte sind die Wellenfestigkeit und die Lagertragfähigkeit. Diekatalogmäßig angegebenen, maximal zulässigen Werte beziehen sich immer auf KraftangriffspunktWellenendmitte bei ungünstiger Kraftangriffsrichtung. Bei außermittigem Kraftangriffspunkt ergebensich größere oder kleinere zulässige Querkräfte. Je näher zum Wellenbund die Kraft angreift, destohöher können die zulässigen Querkräfte angesetzt werden und umgekehrt. Die Formeln für außer-mittigen Kraftangriff können Sie dem Katalog “Getriebemotoren”, Kapitel “Einführung”, entnehmen.Die Größe der zulässigen Axialkraft kann nur bei bekannter Querkraftbelastung exakt ermittelt werden.

Die Querkraft am Wellenende bei Übertragung des Abtriebsdrehmomentes mittels Kettenrad oderZahnrad ergibt sich aus Abtriebsdrehmoment und Ketten- bzw. Zahnradradius.

FMr

N=

Getriebe 7


Bei der Querkraftermittlung muß mit Zuschlagsfaktoren fZ gerechnet werden. Diese sind abhängigvon den eingesetzten Übertragungsmitteln Zahnräder, Ketten-, Keil- oder Flachriemen. Bei Riemen-scheiben kommt der Einfluß der Riemenvorspannung hinzu. Die mit dem Zuschlagfaktor errechnetenQuerkräfte dürfen nicht größer sein als die für das Getriebe zulässige Querkraft.

Übertragungselement Zuschlagsfaktor fZ Bemerkungen

Zahnräder 1,15 < 17 Zähne

Kettenräder 1,40 < 13 Zähne

Kettenräder 1,25 < 20 Zähne

Schmalkeilriemenscheiben 1,75 Einfluß der Vorspannkraft

Flachriemenscheiben 2,50 Einfluß der Vorspannkraft

7.6 Getriebewirkungsgrad

Typische Verluste in Untersetzungsgetrieben sind Reibungsverluste am Zahneingriff, in den Lagernund an den Wellendichtringen sowie Planschverluste der Öltauchschmierung. Erhöhte Verluste tretenbei Schnecken- und Spiroplan®-Getrieben auf.

Je größer die eintreibende Drehzahl des Getriebes ist, desto größer werden auch die Verluste.

Bei Stirnrad-, Flach-, Kegelrad- und Planetengetrieben liegt der Verzahnungswirkungsgrad je Getrieb-stufe bei 97 bis 98%. Bei Schnecken- und Spiroplan®-Getrieben liegt der Verzahnungs-Wirkungsgradje nach Ausführung zwischen 30 und 90%. Während der Einlaufphase kann der Wirkungsgrad beiSchnecken- und Spiroplan® -Getrieben noch bis zu 15% geringer sein. Liegt dieser Wirkungsgradunter 50%, ist das Getriebe statisch selbsthemmend. Solche Antriebe dürfen nur dann eingesetztwerden, wenn keine rücktreibenden Drehmomente auftreten oder diese so gering sind, daß dasGetriebe nicht beschädigt werden kann.

7.7 Verschleißteile

Verschleißteile bei Getrieben sind das Öl, die Lager und die Wellendichtringe. Durch Alterung des Ölsist es notwendig, in bestimmten Intervallen (spätestens alle 3 Jahre) einen Ölwechsel vorzunehmen.Durch Einsatz von synthetischem Öl anstelle des normalen mineralischen Öls können die Ölwechsel-intervalle (spätestens alle 5 Jahre) vergrößert werden. Die Lagerlebensdauer hängt von den einge-setzten Lagern und deren Belastung sowie der Drehzahl ab.

Der Verschleiß der Wellendichtringe ist abhängig von den Gleitgeschwindigkeiten bzw. den Um-welteinflüssen. Da diese Umwelteinflüsse schwer erfaßbar sind, kann eine bestimmte Lebensdauerder Wellendichtringe nicht vorausgesagt werden.

Bei Schneckengetrieben ist das Bronzeschneckenrad ebenfalls ein Verschleißteil. Dies muß bei derLebensdauerbetrachtung berücksichtigt werden.

Getriebe7


7.8 Drehzahl

Die Abtriebsdrehzahlen können beliebig klein werden. Durch Doppelgetriebe können Abtriebsdreh-zahlen von 0,01 min-1 und weniger erreicht werden.

Für alle nicht katalogmäßigen SEW-Getriebemotorenkombinationen, vor allem mit 2poligen Motoren,besonders bei 60 Hz, bitte Rücksprache mit SEW.

7.9 Bauform, Ölmenge

Auf dem Typenschild der Antriebe ist die Bauform des Gesamtantriebes festgehalten. Entsprechenddieser Bauform wurde vom Hersteller die Ölmenge eingefüllt. Wird jedoch der Antrieb von dieserBauform abweichend aufgestellt, kann entweder zu viel oder zu wenig Öl vorhanden sein. Zu viel Ölkann Überdruck und Leckagen, zu wenig Öl erhöhten Verschleiß der Zahnräder und Lager zur Folgehaben.

4700935ADE

Bild 47: Wechselintervalle bei Standardgetrieben für normale Umgebungsbedingungen

Getriebe 7


8 Formeln der Antriebstechnik

Aus praktischer Erwägung wird auf eine konsequente Berücksichtigung der SI-Einheiten verzichtet.Die einzusetzenden Einheiten sind in der Zeichenlegende (→ Kap. 18) aufgelistet.

Mit folgenden Formeln lassen sich im wesentlichen die Antriebsdaten aus den bekannten mechani-schen Größen berechnen. Weitere Angaben zur Dimensionierung sind in den vorangegangenenKapiteln enthalten.

8.1 Kraft

8.2 Drehmoment

8.3 Leistung

F m a N

F m g N

F F

F

F m g2D

d2

f c

F m rm v

r

G

R N

N

F L

Z2

2

= •

= •

= •

= •

= • • • • +FHG

IKJ +

FHG

IKJ

= • • = • = • • LNM

OQP

µ

α

µ

ω ω π

N

F N

N

N ns

G cos

21

Beschleunigungskraft

Gewichtskraft

Reibungskraft (Gleitreibung)

Normalkraft (wirkt senkrechtzur reibenden Fläche)

Fahrwiderstand (Rollreibung)

Fliehkraft

M F rF d2000

Nm

MP W P kW 9550

nNm

M J Jn

9,55 tNm

MJ 1 J n

9,55 tM

0

A

H

M L M

AL

= • = •

= =•

= • = ••

=+ • •

•+

ω

α

η Nm

geradlinige Bewegung

Rotationsbewegung

P F v W

P M

M n9550

= •

= •

= •

ω W

P kW

aus der Umfangskraft

aus der Leistung

aus dem Massenträgheitsmoment

zur Beschleunigung

Formeln derAntriebstechnik8


8.4 Massenträgheitsmomente

Reduktion bekannter Zusatzmassenträgheitsmomente auf die Motorwelle:

Berechnung von Massenträgheitsmomenten charakteristischer rotierender Körper:

Körper Lage der Drehachse Symbol Massenträgheitsmoment J

Kreisring, dünnHohlzylinder, dünnwandig

senkrecht zur Ringebene

Vollzylinder Längsachse

Hohlzylinder, dickwandig Längsachse

Kreisscheibe senkrecht zur Scheibenebene

Kreisscheibe Symmetrieachse in derScheibenebene

Kugel durch den Mittelpunkt

Hohlkugel, dünnwandig durch den Mittelpunkt

Stab, dünn mit Länge l senkrecht zur Stabmitte

Steinerscher Satz:

JS Massenträgheitsmoment eines Körpers, bezo-gen auf eine durch den Schwerpunkt S gehen-de Drehachse.

JA Massenträgheitsmoment des gleichen Kör-pers, bezogen auf eine Drehachse durch A.

a Abstand beider parallel zueinander verlaufen-den Achsen.

m Masse des Körpers

geradlinige Bewegung

Rotationsbewegung

J 91,2 mv

nkgm

J Jn

n

XM

22

XM

2

= • •FHG

IKJ

= •FHG

IKJ

kgm2

AS

a

4800659AXX

Bild 48: Steinerscher Satz

J m r

J m r

J m r r

J m r

J m r

J m r

J m r

J m l

= •

= • •

= • • +

= • •

= • •

= • •

= • •

= • •

2

2

12

22

2

2

2

2

2

12

12

12

14

25

23

112

e j

J J m aA S= + • 2

Formeln derAntriebstechnik 8


8.5 Kinematik

geradlinige Bewegung: Rotation:

v = konst. a = konst. ω = konst. α = konst.

Bezogen auf die Motorwelle ergibt das:

D = getriebener Laufraddurchmesser in mm

i = Anlagenübersetzung

n 19 ,1 10vD

i min

115sD

i

2000aD

irad

s

3 1

2

= • • •

= • • °

= • • LNM

OQP

−

ϕ

α

sv t a t v

a= • = • =

•2 2 2

2 2

v a ss

ta t= • • = • = •2

2

avt

s

t

vs

= = • =•

222

2

ts

ava

sv

= • = = •2 2

ω α ϕ ϕ α= • • = • = •22

tt

α ω ϕ ωϕ

= = • =•t t

222

2

t = • = = •2 2ϕα

ωα

ϕω

s v t= •

vst

=

a o=

tsv

=

ϕ ω= • t

ω ϕ=t

α = 0

t = ϕω

Formeln derAntriebstechnik8


8.6 Spezielle Formeln

Horizontale und Drehbewegung, Vertikalbewegung abwärtsVertikalbewegung aufwärts

s12

t v 1000

s12

t v 1000 1n

n

s v 1000 t12

t

X 0 ,12 s

A A

U U 21

2

B 2 B

B B

= • • •

= • • +FHG

IKJ

= • • + •FHG

IKJ

≈ ± •

Anlaufweg [mm]

Umschaltweg [mm]

Bremsweg [mm]

Bremsgenauigkeit

s12

tn

nv 1000

s12

tn

nv 1000 1

n

n

s v 1000 t12

t

X 0 ,12 s

A AS

M

U US2

22

S1

S2

B 2 B

B B

= • • • •

= • • +FHG

IKJ

= • • + •FHG

IKJ

≈ ± •

avt

avt

avt

Z Z1 M

M

J J J

J

K

AA

UU

BB

zul 0

X

H

M ZX

M

P

=

= • −FHG

IKJ

=

= •−

+ +•

1 1

2

nn

M

M

η

Anlaufbeschleunigung[m/s²]

Umschaltverzögerung[m/s²]

Bremsverzögerung[m/s²]

Schalthäufigkeit[c/h]

avt

nn

avt

1n

nnn

avt

Z Z1 M

MJ J J

J

K

AA

S

M

UU

M1

M2

S1

S2

BB

zul 0

X

H

M Z X

M

P

= •

= • −FHG

IKJ

•

=

= •−

+ +•

η

tJ

Jn

9,55 M M

tJ J n n

9,55 M M

tJ J

9,55 M M

A

MX

M

H L

UM X 2 1

U L2

BM X

B L2

=+

FHG

IKJ

•

• −

=+ • • −

• + •

=+ • •

• + •

η

η

η

η

η

d i

d i d i

e j

d i

e j

n

tJ

Jn

9,55 M M

tJ J n n

9,55 M M

tJ J n

9,55 M M

A

MX

M

H X2

UM X 2 1

U X2

BM X S

B X2

=+

FHG

IKJ

•

• + •

=+ • • −

• − •

=+ • •

• − •

η

η

η

η

η

η

e j

d i d i

e j

d i d i

e j

Anlaufzeit [s]

Umschaltzeit [s]

Bremszeit [s]

Bremsenergie[J]

Bremsenstandzeit[h]

WM

M M

J J J n

LW

W Z

BB

B X

M Z X M

BN

B erf

=+ •

•+ + •

=•

η

η2

2

182 5b g

,W

M

M M

J J J n

LW

W Z

BB

B X

M Z X M

BN

B erf

=− •

•+ + •

=•

η

η2

2

182 5b g

,

Formeln derAntriebstechnik 8


9 Rechenbeispiel Fahrantrieb

9.1 Vorgaben

Es ist mit folgenden Angaben ein Drehstrombremsmotor mit Stirnradgetriebe auszulegen:

Masse des Fahrwagens: m0 = 1500 kg Zuladung: mL = 1500 kgGeschwindigkeit: v = 0,5 m/s Raddurchmesser: D = 250 mmZapfendurchmesser: d = 60 mm Reibpaarung: Stahl/StahlHebelarm der Rollreibung: Stahl auf Stahl f = 0,5 mmSpurkranz- und Seitenreibungsbeiwert: für Wälzlager c = 0,003 (→ Kap. 17, Tabellenanhang)Lagerreibwert: für Wälzlager µL = 0,005Vorgelege: Kettenvorgelege, iV = 27/17 = 1,588Kettenraddurchmesser (getrieben): d0 = 215 mmLastwirkungsgrad: ηL = 0,90Einschaltdauer: 40% EDSchalthäufigkeit: 75 Fahrten/Stunde beladen und

75 Fahrten/Stunde leerEs werden 2 Räder angetrieben.

9.2 Motorberechnung

9.2.1 Fahrwiderstand

Für die Berechnung des Fahrwiderstandes ist es unerheblich, wieviele Laufräder im Einsatz sind.

4900777AXX

Bild 49: Fahrantrieb

F m gD

df c NF L= • • • • +F

HGIKJ +

FHG

IKJ

22

µ

F kgm

s mmmm

mm N

F kgm

s mmmm

mm N

F

F

= • • • • +FHG

IKJ +

FHG

IKJ =

= • • • • +FHG

IKJ +

FHG

IKJ =

3000 9 812

2500 005

602

0 5 0 003 241

1500 9 812

2500 005

602

0 5 0 003 120 5

2

2

, , , ,

, , , , ,

beladen:

leer:

RechenbeispielFahrantrieb9


9.2.2 Statische Leistung

Die statische Leistung berücksichtigt alle Kräfte, die im unbeschleunigten Zustand auftreten.

z.B. - Rollreibung- Reibkräfte- Hubkraft bei Steigung- Windkraft usw.

Wirkungsgrad:

η ist der Gesamtwirkungsgrad der Anlage, bestehend aus dem Getriebewirkungsgrad ηG und demWirkungsgrad externer Übertragungselemente ηL. Die Wirkungsgrade der Übertragungselementekönnen dem Tabellenanhang (→ Kap. 17) entnommen werden.

Der Getriebewirkungsgrad bei Stirn- und Kegelradverzahnung kann mit η = 0,98 je Zahnradstufeangenommen werden (z.B. 3stufiges Getriebe ⇒ ηG = 0,94). Die Wirkungsgrade von Schnek-kengetrieben entnehmen Sie bitte unter Beachtung der Getriebeübersetzung dem SEW-Getriebemo-torenkatalog.

Da das Getriebe zu diesem Zeitpunkt noch nicht festgelegt ist, wird mit dem Mittelwert von 2 und3stufigen Getrieben ηG = 0,95 gerechnet.

Der Lastwirkungsgrad ist abhängig von den Übertragungselementen nach dem Getriebe (z.B. Ketten,Riemen, Seile, Verzahnteile ...).

Aus Tabellenanhang (→ Kap. 17): Wirkungsgrad von Ketten η = 0,90 - 0,96

Wenn keine genaueren Werte zur Verfügung stehen, wird mit dem kleinsten Wert (η = 0,90)gerechnet.

Rücktreibende Wirkungsgrade können entsprechend der Formel

errechnet werden. Daraus erkennt man, daß bei einem Wirkungsgrad von 50% (0,5) und kleiner derrücktreibende Wirkungsgrad zu 0 wird (statische Selbsthemmung!).

Die errechnete statische Leistung bezieht sich auf die Motorwelle.

Diese Leistung ist nur ein Teil der erforderlichen Motorleistung, da bei Horizontalantrieben dieBeschleunigungsleistung (= dynamische Leistung) maßgebend ist.

PF v

statF= •η

η η ηges G L= • = • =0 95 0 90 0 85, , ,

ηη

' = −21

PN m

s W kW

PN m

s W kW

stat

stat

=•

= =

=•

= =

241 0 5

0 85142 0142

120 5 0 5

0 8571 0 071

,

,,

, ,

,,

beladen:

leer:

RechenbeispielFahrantrieb 9


9.2.3 Dynamische Leistung

Die dynamische Leistung ist die Leistung, die das gesamte System (Last, Übertragungsglieder,Getriebe und Motor) beschleunigt. Bei ungeregelten Antrieben stellt der Motor ein Hochlaufmomentzur Verfügung, mit dem dieses System beschleunigt wird. Je höher das Hochlaufmoment ist, destogrößer ist die Beschleunigung.

Im allgemeinen können die Massenträgheitsmomente von Übertragungsgliedern und Getriebenvernachlässigt werden. Das Massenträgheitsmoment des Motors ist noch nicht bekannt, da der Motorerst noch zu ermitteln ist. Daher muß nun ein Motor ausschließlich über die dynamische Leistungzur Beschleunigung der Last näherungsweise gerechnet werden. Da jedoch das Verhältnis von Last-zu Motormassenträgheitsmoment bei Fahrantrieben im Normalfall sehr hoch ist, kann der Motor hierschon sehr genau ermittelt werden. Dennoch ist eine nachträgliche Überprüfung notwendig.

Der fehlende Wert der zulässigen Anlaufbeschleunigung azul muß noch errechnet werden. DasKriterium hierbei ist, daß die Laufräder nicht durchrutschen dürfen.

Zulässige Anlaufbeschleunigung:

Die Räder rutschen, wenn die Umfangskraft FU am Rad größer wird als die Reibkraft FR.

m’ = auf den Treibrädern liegende Masse, mit 2 getriebenen Rädern ist m’ = m/2µ0 = 0,15 (Haftreibungskoeffizient Stahl/Stahl, → Kap. 17)

Wenn a < azul ⇒ Räder rutschen nicht durch

beladen:

leer:

Das Durchrutschen der Laufräder aufgrund zu hoher Beschleunigung soll verhindert werden. Deshalbwird ein 2poliger Motor gewählt. Durch das geringere Verhältnis von externem und Motormassen-trägheitsmoment wird mehr Energie benötigt, den Motor auf die hohe Drehzahl zu beschleunigen.Der Beschleunigungsvorgang verläuft sanfter.

P P P P

Pm a v

PF v

ges dyn Last dyn Mot stat

gesges

dyn MotF

= + +

= • • + + •

_ _

_

d i

d iη η

Grenzfall F m a F m gU R: '= • = = • • µ0

a gm

s

m

szul = • • = • • =1

212

9 81 015 0 740 2 2µ , , ,

Pkg m

sms N m

s W

Pkg m

sms N m

s W

ges

ges

=• •

+•

=

=• •

+•

=

3000 0 74 0 5

0 85

241 0 5

0 851448

1500 0 74 0 5

0 85

120 5 0 5

0 85724

2

2

, ,

,

,

,

, ,

,

, ,

,



Bei 2poligen Motoren dieser Leistungsklasse ist das Hochlaufmoment MH um den Faktor 2 höher alsdas Nennmoment. Da die eingegebene Beschleunigung die maximal zulässige Beschleunigungdarstellt, wählen wir zunächst einen Motor, dessen Bemessungsleistung kleiner ist als die für denleeren Zustand errechnete Gesamtleistung Pges.

gewählter Motor: DT 71D 2 BMPN = 0,55 kWnN = 2700 min-1

MH/MN = 1,7JM = 5,51•10-4 kgm2 Daten aus Katalog “Getriebemotoren”

9.2.4 Nachrechnung

Die bisherige Berechnung erfolgte ohne Motordaten. Daher ist eine detaillierte Nachrechnung mitMotordaten notwendig.

Anlaufverhalten:

Auf die Motorwelle reduziertes externes Massenträgheitsmoment im leeren Zustand:

Drehmomente:

Anlaufzeit im leeren Zustand:

Anlaufbeschleunigung im leeren Zustand:

Die Anlaufbeschleunigung im leeren Zustand ist unzulässig hoch. Mit erhöhtem Motormassenträg-heitsmoment, z.B. durch Anbau eines schweren Lüfters, kann die Beschleunigung reduziert werden.Dies geht jedoch auf Kosten der zulässigen Schalthäufigkeit. Die Wahl eines kleineren Motors kanndie Beschleunigung ebenfalls reduzieren.

tJ J n

M M

kgm kgm

Nm NmsA

MX

M

H L=

+FHG

IKJ •

• −=

+FHG

IKJ

•

• −=

−

η9 55

0 000551 0 00470 85

2700

9 55 3 3 0 250 56

22

1

,

, ,,

min

, , ,,

b g b g

J mv

nkg

ms kgmX

M= • •

FHG

IKJ

= • •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=−91 2 91 2 15000 5

27000 0047

2

1

2

2, ,,

min,

MP

nkW

Nm

M M Nm M ist kein Kata wert muß umgerechnet werden

M MP

nkW

Nm

NN

M

H N H

L statstat

M

= • = • =

= • =

= = • = • =

−

−

9550 0 55 9550

27001 95

1 7 3 3

9550 0 071 9550

27000 25

1

1

,

min,

, , log , .

,

min,

avt

mss

m

sA

A= = =

0 5

0 560 89 2

,

,,



Erneute Nachrechnung im leeren Zustand mit schwerem Lüfter (JZ = 0,002kgm2):

Die Anlaufbeschleunigung im leeren Zustand ist im zulässigen Bereich, damit ist ein geeigneter Motorgefunden.

Anlaufzeit und Anlaufbeschleunigung im beladenen Zustand:

Anlaufweg:

zulässige Schalthäufigkeit beladen:

tJ J J n

M M

kgm kgm

Nm Nms

avt

mss

m

s

A

M ZX

M

H L

AA

=+ +F

HGIKJ •

• −=

+ +FHG

IKJ

•

• −=

= = =

−

η9 55

0 000551 0 002 0 00470 85

2700

9 55 3 3 0 250 75

0 5

0 750 67

22

1

2

,

, , ,,

min

, , ,,

,

,,

b g

b g

b g

tJ J J n

M M

kgm kgm

Nm Nms

avt

mss

m

s

A

M ZX

M

H L

AA

=+ +F

HGIKJ •

• −=

+ +FHG

IKJ

•

• −=

= = =

−

η9 55

0 000551 0 002 0 00940 85

2700

9 55 3 3 0 51 37

0 5

1 370 36

22

1

2

,

, , ,,

min

, , ,,

,

,,

b g

b g

b g

s t v sms

mmA A= • • • = • • • =12

100012

1 37 0 5 1000 343, ,

Z Z

MM

J J J

J

K Zch

Leerschalthäufigkeit des Motors laut Kata

mitPP

kWkW

und ED ist K

Zch

NmNm

kgm kgm

kgm

ch

zul

X

H

M ZX

M

P

L

NP

zul

= •−

+ +• =

= ≈ =

= •−

+ +• =

0 0

22

2

14600

01420 55

0 25 40% 0 7

46001 0 5

3 3

0 000551 0 002 0 00940 85

0 000551

0 7 110

η

log

,,

, ,

,,

, , ,,

,

,

b g

b g



zulässige Schalthäufigkeit leer:

Mit folgender Formel kann die zulässige Schalthäufigkeit für die Kombination einer gleichen Anzahlvon Fahrten im beladenen und leeren Zustand pro Zyklus ermittelt werden:

Die Forderung von 75 Fahrten pro Stunde kann erfüllt werden.

Bremsverhalten:

Bremsmoment:

Beschleunigung und Verzögerung sollen vom Betrag her ähnlich sein. Zudem ist zu beachten, daß derFahrwiderstand und somit das daraus resultierende Lastmoment das Bremsmoment unterstützen.

Bremszeit:

Bremsverzögerung:

Bremsweg:

t2 = t2II = 0,005 s für gleich- und wechselstromseitige Schaltung der Bremse(siehe Katalog “Getriebemotoren”, Kap. Drehstrombremsmotoren)

mitPP

kWkW

und ED ist K

Zch

NmNm

kgm kgm

kgm

ch

L

NP

zul

= ≈ =

= •−

+ +• =

0 0710 55

013 40% 0 85

46001 0 25

3 3

0 000551 0 002 0 00470 85

0 000551

0 85 2462

2

2

,,

, ,

,,

, , ,,

,

,

b g

ZZ Z

Z Zch

chZykl

zul bel zul leer

zul bel zul leer=

•+

= •+

=( .) ( )

( .) ( )

110 246110 246

76

M M M Nm Nm NmB H stat≈ − • • = − • • ≈2 3 3 2 0 5 0 85 2 52 2η , , , ,

tJ J J n

M M

kgm

NmsB

Mot Z X M

B stat

=+ + • •

• + •=

+ + • •

• + •=

−η

η

b ge j

b ge j9 55

0 000551 0 002 0 0094 0 85 2700

9 55 2 5 0 5 0 851 0

2

2 1

2,

, , , , min

, , , ,,

avt

mss

m

sB

B= = =

0 5

100 5

2

,

,,

s v t tms

s s mmB B= • • + •FHG

IKJ = • • + •F

HGIKJ =1000

12

0 5 1000 0 00512

10 252 52 , , , ,



Bremsgenauigkeit:

Die Bremsenergie wird in den Bremsbelägen in Wärme umgewandelt und ist ein Maß für denVerschleiß der Bremsbeläge.

Bremsenergie beladen:

Bremsenergie leer:

Der Fahrwagen fährt abwechselnd im beladenen und leeren Zustand, so daß zur Bremsenstandzeit-berechnung der Mittelwert der Bremsenergie anzusetzen ist.

Bremsenstandzeit (bis Nachstellreife):

WN = Nennbremsarbeit (siehe Tabellenanhang Kap. 17)

Nach 2600 Betriebsstunden (entspricht bei 8 Stunden/Tag ca. 1 Jahr) sollte spätestens die Bremsenachgestellt und der Belagträger kontrolliert werden.

X s mm mmB B= ± • = ± • = ±012 012 252 5 30 3, , , ,

WM

M M

J J J n

WNm

Nm

kgmJ

B belB

B stat

Mot Z X M

B bel

.

.

,

,

, , ,

, , , , min,

b g

b g

b g

e jb g

=+ •

•+ + • •

=+ •

•+ + • •

=−

η

η2

2

2

2 2 2

182 5

2 5

2 5 0 5 0 85

0 000551 0 002 0 0094 0 85 2700182 5

368

WNm

Nm

kgmJB leerb g

e jb g

=+ •

•+ + • •

=−2 5

2 5 0 25 0 85

0 000551 0 002 0 0047 0 85 2700182 5

2442

2 2 2,

, , ,

, , , , min,

WW W J J

JB mittelB bel B leer

b gb g b g=

+= + =

.

2368 244

2306

LW

W ZJ

J ch

hBN

B mittel erf=

•= •

•=

b g

120 10

306 1502600

6



9.3 Getriebeauslegung

Abtriebsdrehzahl:

Getriebeübersetzung:

Betriebsfaktor:

Bei Betrieb mit 8 Stunden/Tag und 150 Fahrten/Stunde, also 300 Anlauf- und Bremsvorgänge proStunde, wird mit Hilfe von Bild 45 im Kapitel 7 “Getriebe” folgender Betriebsfaktor ermittelt:

Bei einem Massenbeschleunigungsfaktor > 20, was bei Fahrantrieben nicht selten ist, ist darauf zuachten, daß die Anlage möglichst spielarm ist. Bei Betrieb am Netz können sonst Getriebeschädenverursacht werden.

Abtriebsdrehmoment:

Die Bezugsleistung zur Getriebeberechnung ist grundsätzlich die Motornennleistung.

passendes Getriebe: R43 mit na = 64 min-1 und Mamax = 160 Nm

Damit betragen Abtriebsdrehmoment Ma (bezogen auf die Motornennleistung) und Betriebsfaktor fB:

Querkraft:

Zähnezahl < 20, somit fZ = 1,25 (siehe Tabelle in Kap. 7.5 “Querkräfte, Axialkräfte”)

Bei Riemenantrieben ist zusätzlich die Vorspannkraft zu beachten:

FRa zul = 4910 N

Damit steht der Antrieb fest: R43 DT 71D 2 BMG

nv

Di

ms

mma V= ••

• =•

•• = −60000 0 5 60000

2502717

60 7 1π π

,, min

innM

a= = =

−

−2700

60 744 5

1

1min

, min,

MassenbeschleunigungsfaktorJ

J Jkgm

kgmStoßgrad III

f

ext

Mot Z

B erf

=+

=+

= ⇒

=

0 0094

0 000551 0 0023 68

1 5

2

2,

, ,,

,_

b g

Abtriebsdrehmoment MP

nkW

NmaN

a= • = • =−

9550 0 55 9550

60 786 51

,

, min,

MkW

Nm

fNmNm

a

B

= • =

= =

−0 55 9550

6482

16082

1 95

1,

min

,

FM

di

fNm

mmNQ

a

V

Z= • • = • • =2000 82 2000215

1 59

1 25 15160

,

,



9.4 Fahrantrieb mit 2 Geschwindigkeiten

Der Fahrantrieb aus vorherigem Beispiel soll im Einrichtbetrieb um Faktor 4 geringere Geschwindig-keit fahren (8/2 poliger Motor). Zusätzlich soll die Haltegenauigkeit auf ±5 mm reduziert werden. Diestatischen Verhältnisse bleiben gleich.

Vorgaben: Vom vorhergehenden Beispiel übernommen:

Masse des Fahrwagens m0 = 1500 kg Fahrwiderstand FF = 241 NZuladung mL = 1500 kg statische Leistung Pstat = 0,14 kWGeschwindigkeit v = 0,5 m/sRaddurchmesser D = 250 mm

Die Vorgehensweise ist gleich wie im vorhergehenden Beispiel, jedoch ist bei polumschaltbarenMotoren nicht die Anlaufbeschleunigung, sondern die Umschaltverzögerung von der schnellen aufdie langsame Drehzahl der kritische Punkt. Polumschaltbare Motoren bringen ca. das 2,5fache desHochlaufmoments der “langsamen Wicklung” als Umschaltmoment auf.

Das Hochlaufmoment der “langsamen Wicklung” ist bei Motoren des zu erwartenden Leistungsbe-reichs ca. 1,7fach des Nennmoments. Damit wird das zu erwartende Umschaltmoment ca.

Deshalb wird zunächst ein Motor gewählt, dessen 8pol. Nennleistung um mindestens Faktor 4,25kleiner ist als die aus der Last errechnete dyn. Leistung bei zulässiger Beschleunigung.

gewählter Motor:

DT 71 D 8/2 BMGPN = 0,25/0,06 kWnN = 2670/675 min-1

MH/MN = 1,8/1,4JM = 5,27•10-4 kgm2 Daten aus Katalog “Getriebemotoren”

damit ist das Motornennmoment für die 2pol. Drehzahl:

M M MU N pol N pol= • • = •2 5 1 7 4 258 8. , ,b g b g

Pkg m

sms W

P P P W W W

PW

W

dyn Last

ges dyn Last stat

ges PU

_

_

_

, ,

,

,

=• •

=

= + = + =

= =

3000 0 74 0 5

0 851300

1300 140 1440

14404 25

340

2

MP

nkW

Nm

M M Nm

MP

nkW

Nm

NN

N

H N

LL

N

= • = • =

= • =

= • = • =

−

−

9550 0 25 9550

26700 9

1 8 1 6

9550 014 9550

26700 5

1

1

,

min,

, ,

,

min,



Ext. Massenträgheitsmoment:

Anlaufzeit:

Anlaufbeschleunigung:

Entscheidend ist bei polumschaltbaren Motoren jedoch die Umschaltverzögerung:

bei Umschalten ohne Last liegt der Wert bei 1,22 m/s2. Wie bereits im vorhergehenden Beispielberechnet, liegt die max. zulässige Beschleunigung jedoch bei azul = 0,74 m/s2. Das Umschaltverhal-ten kann nun durch 2 Möglichkeiten verbessert werden:

1. schwerer Lüfter:

Der schwere Lüfter verlängert durch seine hohe Schwungmasse die Umschaltzeit. Jedoch wird diezulässige Schalthäufigkeit erheblich verringert.

J mv

nkg

ms kgmX

M= • •

FHG

IKJ

= • •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=−91 2 91 2 30000 5

26700 0096

2

1

2

2, ,,

min,

tJ J n

M M

t

kgm kgm

Nm Nms

A

MX

M

H L

A

=+F

HGIKJ •

• −

=

+FHG

IKJ

•

• −=

−

η9 55

0 00053 0 00960 85

2670

9 55 1 6 0 52 95

22

1

,

, ,,

min

, , ,,

b g

b g

avt

mss

m

sA

A= = =

0 5

2 95017 2

,

,,

tJ J n n

M M

mit M M Nm

tkgm

Nms

av n

nt

ms

sm

s

UM X

U L

U H pol

U

U

M

M

U

=+ • • −

• + •

= • =

=+ • • −

• + •=

=• −FHG

IKJ

=

• −FHG

IKJ

=

−

−

−

η

η

b g b ge j

b g b ge j

b g

2 12

8

2 1

2

1

2

1

1

2

9 55

2 5 3

0 00053 0 0096 0 85 2670 675

9 55 3 0 5 0 850 54

1 0 5 1 6752670

0 540 69

,

,

, , , min

, , ,,

, minmin

,,

.



2. Sanftumschalter (WPU):

Das WPU-Gerät macht sich die Umschaltmomenten-Verminderung (um ca. 50%) bei 2phasigemUmschalten zunutze. Die dritte Phase wird automatisch zugeschaltet.

Wir entscheiden uns für die Lösung mit WPU, da wir keine Einbußen in der Schalthäufigkeithinnehmen wollen. Es ist in Extremfällen auch möglich, beide Mittel zusammen einzusetzen:

Damit wird für den Fall der Leerfahrt:

Damit ist auch die Leerfahrt innerhalb der zulässigen Beschleunigung.

Zulässige Schalthäufigkeit:

Zudem muß wegen der zusätzlichen Erwärmung beim Umschalten ein Faktor von 0,7 eingerechnetwerden. Somit ist der Antrieb in der Lage, den voll beladenen Fahrwagen 180•0,7=126 mal zuverfahren.

Die zulässige Schalthäufigkeit erhöht sich, wenn der Motor mit Isolationsklasse H oder mit Fremd-lüfter ausgestattet ist.

Eine weitere Möglichkeit, die zulässige Schalthäufigkeit zu erhöhen, ist das Anfahren in der langsamenGeschwindigkeit (in der höherpoligen Wicklung).

Beim Anfahren in der langsamen Drehzahl und darauffolgendem Umschalten in die hohe Drehzahlerhöht sich die errechnete Schalthäufigkeit um ca. 25%.

Dabei entsteht jedoch ein zusätzlicher Laststoß, der bei einigen Anwendungen unerwünscht ist.Zudem erhöht sich die Taktzeit.

tkgm

Nms

a

ms

sm

s

U

U

=+ • • −

• + •=

=

• −FHG

IKJ

=

−

−

−

0 00053 0 0047 0 85 2670 675

9 55 1 5 0 25 0 850 56

0 5 1 6752670

0 560 67

2 1

2

1

1

2

, , , min

, , , ,,

, minmin

,,

b g b ge j

Z Z

MM

J J J

J

K

Zch

NmNm

kgm kgm

kgm

ch

zul

L

H

M ZX

M

P

zul

= •−

+ +•

= •−

+• =

0

22

2

1

90001 0 5

1 6

0 00053 0 00960 85

0 00053

0 65 180

η

,,

, ,,

,

,



Zusammensetzung der Schalthäufigkeit mehrerer Zyklen:

Der Wagen fährt beladen in eine Richtung und leer zurück. Die zulässige Schalthäufigkeit imbeladenen Zustand haben wir mit 136 c/h errechnet. Mit den vorherigen Formeln und dem Leerge-wicht läßt sich nun die Schalthäufigkeit im unbeladenen Zustand errechnen.

Der Motor kommt nach 126 c/h beladen oder nach 320 c/h unbeladen zur thermischen Auslastung.

Um dies in Zyklen auszudrücken, darf nun nicht der Mittelwert genommen werden. Die Berechnungder zulässigen Zyklenzahl ist ähnlich der Formel “Parallelschaltung von Widerständen”:

F m gD

df c

F kgm

s mmmm

mm N N

PN m

s W

MP

nkW

Nm

Zch

NmNm

kgm kgm

kgm

ch

F L

F

stat

statstat

M

zul

= • • • • +FHG

IKJ

FHG

IKJ +

= • • • • +FHG

IKJ

FHG

IKJ

+ =

=•

=

= • = • =

= •−

+• • =

−

22

1500 9 812

2500 005

602

0 5 0 003 120

120 0 5

0 8570

9550 0 07 9550

26700 25

90001 0 25

1 6

0 00053 0 00480 85

0 00053

0 7 0 7 320

2

1

22

2

µ

, , , ,

,

,

,

min,

,,

, ,,

,

, ,

ZZ ZZ Z

ch

ch

ch

ch

chzul

zul leer zul bel

zul leer zul bel=

•+

=•

+=_ _

_ _

320 126

320 12690



Berechnung von mehr als 2 unterschiedlichen Belastungsarten:

Bei mehr als 2 unterschiedlichen Belastungsarten müssen die Einzelschaltungen in entsprechendeLeerschaltungen umgerechnet werden.

Annahme:

Das Fahrwerk fährt entlang einer schiefen Ebene.

Der Zyklus lautet:

1. Fahrt: mit Last auf2. Fahrt: mit Last ab3. Fahrt: mit Last auf4. Fahrt: ohne Last ab

danach beginnt der Zyklus von vorne.

Durch Berechnung mit bekannter Vorgehensweise erhält man nun 4 verschiedene Schalthäufigkeiten:

mit Last auf mit Last ab ohne Last auf ohne Last ab

Schalthäufigkeit [c/h] 49 402 289 181

Die Werte sind willkürlich gewählt.

Die zulässige Leerschalthäufigkeit des Motors ist laut Katalog 1200 c/h.

Zunächst wird berechnet, wieviel Leerschaltungen einer Lastschaltung in der jeweiligen Fahrtentsprechen.

1200/49 = 24,5 mit Last auf (24,5 Leerschaltungen entspr. einer Lastschaltung)+1200/289 = 4,2 mit Last ab+1200/49 = 24,5 mit Last auf+1200/181 = 6,6 ohne Last ab

59,8

In Worten:

Von den 1200 c/h, die der Motor leer hochlaufen darf, werden 59,8 Leerschaltungen während einemZyklus “verbraucht ”

Damit dürfen 1200/59,8 = 20,1 Spielzyklen pro Stunde gefahren werden.



Berechnung der Haltegenauigkeit:

Die Berechnungen beziehen sich auf die Lastfahrt, da der Bremsweg und damit die Halteungenauigkeithier größer ist als bei Leerfahrt.

Bremsmoment:

Das Bremsmoment wird wie im vorhergehenden Beispiel mit 2,5 Nm gewählt.

Bremszeit:

Bremsverzögerung:

Bremsweg:

t2 = t2II = 0,005 s für gleich- und wechselstromseitige Schaltung der Bremse

Haltegenauigkeit:

Damit wird die Haltegenauigkeit erfüllt.

tJ J J n

M M

tkgm

Nms

BM Z X M

B L

B

=+ + • •

• + •

=+ • • •

• + •=

−

η

η

b ge j

b ge j

9 55

0 00053 0 0096 0 85 675

9 55 2 5 0 5 0 850 21

2

2 1

2

,

, , , min

, , , ,,

avt

mss

m

s

s v t t

sms

s s mm

X s mm mm

BB

B B

B

B B

= = =

= • • + •FHG

IKJ

= • • + •FHG

IKJ =

≈ ± • = ± • = ±

013

0 210 62

100012

013 1000 0 00512

0 21 14

012 012 14 1 7

2

2

,

,,

, , ,

, , ,



9.5 Fahrantrieb mit Frequenzumrichter

9.5.1 Vorgaben

Ein Wagen mit einem Leergewicht von m0 = 500 kg soll eine Zuladung von mL = 5 t über eine Streckevon sges = 10 m in tges = 15 s befördern. Auf dem Rückweg fährt der Wagen unbeladen und soll daherleer mit doppelter Geschwindigkeit fahren.

Für die Beschleunigung werden a = 0,5 m/s2 fest-gelegt. Zusätzlich müssen nach der Verzögerungs-rampe zur Verbesserung der Haltegenauigkeit 0,5 sPositionierfahrt eingeplant werden.Raddurchmesser: D = 315 mmZapfendurchmesser: d = 60 mmµL= 0,005 c = 0,003 f = 0,5 mmKettenvorgelege: iV = 27/17 = 1,588Kettenraddurchmesser: d0 = 215 mmLastwirkungsgrad: ηL = 0,90Getriebewirkungsgrad: ηG = 0,95Einschaltdauer: 60% EDQuerkraftzuschlagsfaktor: fZ = 1,25Stellbereich: 1:10Schalthäufigkeit: 50 Fahrten/Stunde

9.5.2 Optimierung des Fahrdiagrammes

Dimensionierung auf min. Beschleunigung:

Dimensionierung auf Geschwindigkeit:

Die Beschleunigung ist vorgegeben.

Anmerkung: hier s in [m]

Da die Positionierzeit nicht berücksichtigt ist, wird das Ergebnis hinreichend genau, wenn dieGesamtzeit um die Positionierzeit verkürzt eingerechnet wird.

5000780AXX

Bild 50: Fahrdiagramm

5100781AXX

Bild 51: Dimensionierung auf min. Beschleunigung

as

tv

st

tt

ss

a a

= • = •

= =

4 2

2 2

2

5200782AXX

Bild 52: Dimensionierung auf Geschwindigkeit

va t a t a s

=• − • − • •b g2 4

2

v

ms

s ms

s ms

mms

=• − •F

HGIKJ − • •

=0 5 14 5 0 5 14 5 4 0 5 10

20 77

2 2

2

2, , , , ,,



Damit wird:

Der Fahrzyklus ist somit berechnet.

9.5.3 Leistungsberechnung

Fahrwiderstand, statische Leistung und statisches Drehmoment:

tva

ms

ms

s

s v tms

s m

tv

a

ms

ms

s

s tv

v s

ms m

sm

s v tms

s m

s s s s s m

a

a a

u

u u pos

pos

Fahr ges a u pos

= = =

= • • = • • =

= =−

=

= • +FHG

IKJ = •

−+

F

H

GGG

I

K

JJJ

=

= • = • =

= − − − =

0 77

0 51 54

12

12

0 77 1 54 0 593

0 77 0 077

0 51 39

21 39

0 77 0 077

20 077 0 588

0 077 0 5 0 0385

8 78

2

2

,

,,

, , ,

, ,

,,

,, ,

, ,

, , ,

,

∆

∆

b g

b g

tsv

mms

s

t t t t t s

Fahr

ges a Fahr u pos

= = =

= + + + =

8 78

0 7711 4

14 8

,

,,

,

F m gD

df c

F kgm

s

mmmm N

PF v N m

s kW

MP

nkW

Nm

F L

F

statF

statstat

N

= • • • • +FHG

IKJ +

FHG

IKJ

= • • • • +FHG

IKJ +

FHG

IKJ =

= ••

=•

•=

= • = • =−

22

5500 9 812

3150 005

602

0 5 0 003 385

1000

385 0 77

1000 0 850 35

9550 0 35 9550

14002 39

2

1

µ

η

, , , ,

,

,,

,

min,



Dynamische Leistung ohne Motormassenträgheitsmoment, zum Abschätzen der Motorleistung:

Die aufzuwendende Gesamtleistung (ohne Beschleunigungsleistung der Motormasse, die nochnicht feststeht) liegt bei:

Da zum Beschleunigen vom Frequenzumrichter 150% Nennstrom zur Verfügung gestellt werdenkann, wählen wir einen 2,2 kW Motor.

Gewählter Motor:

DT 100LS4 BMG2,2 kW 1400 min-1 JM = 48,1•10-4 kgm2 (inkl. Bremse)

Beschleunigungsleistung:

Da im unteren Drehzahlbereich (< 25% der Nenndrehzahl) das am Motor abnehmbare Drehmo-ment nicht proportional dem Motorstrom ist, wird bei 150% Motorstrom (angepaßter Umrichter)mit einem Motordrehmoment von 130% MN gerechnet.

In unserem Berechnungsbeispiel wird 132% MN benötigt, ist also gerade noch zulässig.

Pm a v

kg ms

ms kWdyn Last_

, ,

,,= • •

•=

• •

•=

1000

5500 0 5 0 77

1000 0 852 49

2

η

P P P kW kW kWges stat dyn Last= + = + =_ , , ,0 35 2 49 2 84

MJ J n

tM

J mv

nkg

ms kgm

Mkgm kgm

sNm Nm

Mkw

Nm

MM

NmNm

H

M X M

Astat

XM

H erf

N

H erf

N

=+ +F

HGIKJ •

•+

= • •FHG

IKJ

= • •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=

=+ •F

HGIKJ •

•+ =

= • =

= =

−

−

−

1

9 55

91 2 91 2 55000 77

140001517

0 00481 10 85

01517 1400

9 55 1 542 39 19 8

2 2 9550

140015

19 815

132%

2

1

2

2

2 2 1

1

η,

, ,,

min,

,,

, min

, ,, ,

,

min

,

_

_



9.5.4 Stellbereich

Feldschwächbereich:

Wird der Motor oberhalb der Eckfrequenz fEck (imsog. Feldschwächbereich) betrieben, muß daraufgeachtet werden, daß sowohl das reziprok fallendeNennmoment als auch das quadratisch fallendeKippmoment höher sind als das erforderlicheLastmoment.

Reduzierte Drehzahl im Bereich konstanten Drehmomentes:

Motoren mit Eigenkühlung können beim Betrieb mit reduzierter Drehzahl durch die verminderteLüfterdrehzahl die entstehende Wärme nicht in vollem Maße abführen. Entscheidend für die richtigeDimensionierung ist hier die genaue Kenntnis der maximalen Einschaltdauer und der Drehmomen-tenbelastung in diesem Bereich. Oft muß eine Fremdbelüftung oder ein größerer Motor eingesetztwerden, der durch die größere Oberfläche mehr Wärme abführen kann.

Dimensionierungsrichtlinien im Stellbereich:

• mindestens Wärmeklasse F

• Temperaturfühler (TF) oder Bimetall-Auslöser (TH) im Motor vorsehen

• wegen Drehzahlbereich, Wirkungsgrad, und cos ϕ 4polige Motoren verwenden

Ausführliche Projektierungshinweise hierzu finden Sie im “Praxis der Antriebstechnik Band 5".

Da die Last bei der schnellen Rückfahrt sehr gering ist, wird der Motor im Feldschwächbereich mit100 Hz betrieben. Dies macht eine Drehmomentüberprüfung notwendig.

Motornennmoment bei Eckfrequenz: MN = 15 NmKippmoment bei Eckfrequenz: MK = 35 Nm

Bei 100 Hz-Betrieb:

Das Lastmoment beträgt bei m0 = 500 kg (Leerfahrt) einschließlich dem Beschleunigungsanteil0,22 Nm + 2 Nm = 2,22 Nm. Somit ist der Betrieb im Feldschwächbereich zulässig.

5300783ADE

Bild 53: Feldschwächbereich

M NmHzHz

Nm

M NmHzHz

Nm

N Hz

K Hz

100

100

2

1550

1007 5

3550

1008 75

b g

b g

= • =

= • FHGIKJ =

,

,



9.5.5 Die 87 Hz-Kennlinie

Bei Verwendung der 87 Hz-Kennlinie (→ Kap. 3.2) kann für das vorangegangene Beispiel ein Motorgewählt werden, der einen Typensprung kleiner ist.

Gewählter Motor:

DT 90LS4 BMG1,5 kW bei 1410 min-1 jetzt 2,2 kW bei 2440 min-1

JM = 39,4•10-4 kgm2 (inkl. Bremse)

Dieser Motor kann bei Verwendung der 87 Hz-Kennlinie in Verbindung mit einem 2,2 kW-Umrichterim Dauerbetrieb eine Leistung von 2,2 kW abgegeben. Das Lastmoment beträgt, bezogen auf dieneue Nenndrehzahl nN = 2440 min-1, Mstat = 1,25 Nm. Das neue Motornennmoment beträgt, bezogenauf nN = 2440 min-1 und PN = 2,2 kW, MN = 8,6 Nm.

Die 87 Hz-Kennlinie ist zulässig.

9.5.6 Drehzahlregelung

Die Eigenschaften des Drehstrommotors am Frequenzumrichter werden durch die Option “Drehzahl-regelung” verbessert.

Folgende Komponenten werden zusätzlich benötigt:

• am Motor angebauter Drehimpulsgeber

• im Umrichter integrierter Drehzahlregler

Folgende antriebstechnische Eigenschaften werden durch eine Drehzahlregelung erreicht:

• Regelbereich der Drehzahl bis 1:100 bei fmax = 50 Hz

• Lastabhängigkeit der Drehzahl < 0,3% bezogen auf nN und Lastsprung ∆M = 80%

• Ausregelzeit bei Laständerung wird auf ca. 0,3 - 0,6 s verkleinert

Bei entsprechender Umrichterzuordnung kann der Motor sogar Kurzzeit-Drehmomente erzeugen, diesein Kippmoment bei Netzbetrieb übersteigen. Maximale Beschleunigungswerte werden erreicht,wenn der Antrieb auf fmax < 40 Hz projektiert wird und die Eckfrequenz auf 50 Hz eingestellt ist.

J mv

nkg

ms kgm

MJ J n

tM Nm

MM

NmNm

XM

H erf

MX

M

astat

H erf

N

= • •FHG

IKJ

= • •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=

=+F

HGIKJ •

•+ =

= = <

−91 2 91 2 55000 77

24400 0497

9 559

98 6

105% 130%

2

1

2

2, ,,

min,

,

,

_

_

η



9.5.7 Synchronlauf

Mit der Funktion “Synchronlauf kann eine Gruppe von Asynchronmotoren winkelsynchron zueinanderoder in einem einstellbaren Proportionalverhältnis betrieben werden.

Folgende Komponenten werden zusätzlich benötigt:

• am Motor angebauter Drehimpulsgeber

• im Umrichter integrierter Synchronlaufregler/Drehzahlregler

Folgende Aufgaben sind lösbar:

• Winkelsynchroner Lauf von 2 bis 10 Antrieben (“elektrische Welle”)

• Proportionaler Lauf (einstellbares Synchron-Übersetzungsverhältnis, “elektronisches Getriebe”)

• Zeitweiser Synchronlauf mit interner Erfassung der Winkeldifferenz während des Freilaufs (“flie-gende Schere”)

• Synchroner Lauf mit Versatz ohne neuem Bezugspunkt (Torsionsprüfstände, Erzeugen vonUnwucht in Rüttlern)

• Synchroner Lauf mit Versatz und mit neuem Bezugspunkt (Übergabebänder)

Beispiel: “fliegende Schere”

Ein kontinuierlich bewegter Kunststoffstrang sollin genauen Abständen von einem Meter geprägtwerden.

Vorgaben:

Vorschubgeschwindigkeit: 0,2 m/smax. Verfahrweg des Stempels: 1 mStempelgewicht: 50 kgDauer des Prägevorgangs: 1 s → 0,4 m

Der Einfachheit halber sind die Kettenraddurchmesser gleich (215 mm). Der Bandantrieb liegt mitR63 DT71D4 (i = 42,98) berechnet auf eine Umrichterfrequenz von 30 Hz fest. Wenn möglich solldas gleiche Getriebe auch für den Stempelvorschub verwendet weren.

Erläuterung:

Die 30 Hz des Bandantriebs wurden gewählt, damit der Stempel bei gleicher Getriebeübersetzung dieMöglichkeit hat, das Band schnell aufzuholen. Dies ist nicht zwingend notwendig. Bei der Wahlunterschiedlicher Getriebeübersetzungen ist eine Anpassung in der Synchronlaufelektronik program-mierbar.

Ablauf:

Nach erfolgtem Prägen in Synchronität der Antriebe erfolgt ein zeitlich begrenzter Freilauf desStempelantriebs. Der Abstand der Achsen wird intern jedoch weiter gezählt. Zusätzlich kann einsogenannter Slave-Zähler programmiert werden. Dieser errechnet über die programmierte Impuls-zahl einen neuen Bezugspunkt, der genau um den Prägeabstand versetzt liegt. Den Freilauf nutzt diePrägeachse, um zurück zum 0-Punkt zu fahren. Eine dort angebrachte Lichtschranke beendet denFreilauf mit einem Binärsignal auf den Synchronlaufregler. Die Prägeachse fährt den neuen Bezugs-punkt an. Durch ein programmierbares Ausgaberelais im Umrichter (Slave in Position) wird derPrägevorgang ausgelöst.

5400784AXX

Bild 54: “fliegende Schere”



Nach 2 Sekunden soll der Rückweg (800 mm, 200 mm Reserve) zurückgelegt sein.

Über die bekannten Kinematik-Formeln muß dabei bei einer Beschleunigung von 1 m/s2 eineGeschwindigkeit von 0,55 m/s gefahren werden, entspricht einer Umrichterfrequenz von:

D.h. es kann derselbe Antrieb wie im Förderband benutzt werden, wobei sich die 87 Hz-Kennlinieanbietet. Eine Leistungsbestimmung ist wie in den vorangegangenen Beispielen durchzuführen.

Das Aufholen muß in ca. 1 Sekunde geschehen und wird vom Umrichter mit fmax gefahren.

Die Beschleunigung wird vom eingestellten KP-Regelfaktor bestimmt. Danach sind noch 2 Sekundenzum Prägen übrig, was noch etwas Reserven offen läßt.

Wie man aus dem Weg-Zeit-Diagramm erkennt, ist für die Projektierung wichtig, daß die Rückfahrt,kurz bevor die Prägestelle anläuft, beendet sein sollte, um sich unnötig lange Aufholwege zu ersparen.

5500785ADE

Bild 55: Weg-Zeit-Diagramm der “fliegenden Schere”

f

ms

ms

Hz Hz= • ≈0 55

0 230 85

,

,



10 Rechenbeispiel Hubantrieb

10.1 Vorgaben

Hubantriebe brauchen den Hauptanteil Ihres Drehmoments schon im unbeschleunigten (quasista-tionären) Zustand. Zum Beschleunigen der Massen wird daher nur ein geringer Drehmoment-Anteilbenötigt (Ausnahme: Hubwerk mit Gegengewicht).

Hubrahmengewicht: m0 = 200 kgLastgewicht: mL = 300 kgHubgeschwindigkeit: v = 0,3 m/sKettenraddurchmesser: D = 250 mmLastwirkungsgrad: ηL = 0,90Getriebewirkungsgrad: ηG = 0,95η = ηL • ηG < 0,85Einschaltdauer: 50% ED1 Antrieb, Direktantrieb

Es soll ein polumschaltbarer Motor mit einemDrehzahlverhältnis von 1:4 eingesetzt werden.

10.2 Motorberechnung

Die gewählte Motorleistung sollte größer als die errechnete statische (quasistationäre) Leistung sein.

Der Motor wird aufgrund der benötigten Leistung bei größter Geschwindigkeit ausgewählt. DasDrehzahlverhältnis von 1:4 ist optimal für einen 8/2poligen Motor.

DT100LS 8/2 BMGPN = 0,45/1,8 kWnM = 630/2680 min-1

MH = 10,9/14,1NmJM = 48,1 kgm2

Z0 = 2600/9000MB = 20 NmMU = 1,6•MH (8pol.) = 17,5 Nm Daten aus Katalog “Getriebemotoren”

externes Massenträgheitsmoment:

5600786AXX

Bild 56: Hubwerk

Pm g v

kg ms

ms kWstat = • •

•=

• •

•=

1000

500 9 81 0 3

1000 0 851 73

2

η

, ,

,,

J mv

nkg

ms kgmX

M= • •

FHG

IKJ

= • •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=−91 2 91 2 5000 3

26800 00057

2

1

2

2, ,,

min,

RechenbeispielHubantrieb 10


statisches Motordrehmoment:

Achtung:

Die Last untestützt den Motor abwärts und wirkt ihm aufwärts entgegen. Somit müssen bei denfolgenden Berechnungen für Aufwärts- und Abwärtsbewegungen teilweise unterschiedliche Formelnangewendet werden (→ Kap. 8.6).

10.2.1 Aufwärts

MP

nkW

Nmstatstat

M= • = • =−

9550 1 73 9550

26806 21

,

min,

Anlaufzeit

tJ J n

M M

kgm

Nms

Anlaufbeschleunigung

avt

mss

m

s

Anlaufweg

s t v sms

mm

Umschaltzeit von auf polig

tJ J n n

M M

A

MX

M

H stat

AA

A A

UM X

U stat

:

,

, ,,

min

, , ,,

:

,

,,

:

, , ,

:

,

=+F

HGIKJ •

• −=

+FHG

IKJ •

• −=

= = =

= • • • = • • • =

=+ • • −

• + •

−η

η

9 55

0 00481 0 000570 85

2680

9 55 141 6 2019

0 3

0191 58

12

100012

019 0 3 1000 28 5

2 8

9 55

2 1

2

2 1

b g b g

b g b gη2

2 1

2

1

2

1

1

2

21

2

1

1

0 00481 0 00057 0 85 2680 630

9 55 17 5 6 2 0 850 05

1 0 3 1 6302680

0 054 6

12

1000 112

0 05 0 3 1000 1630

2680

e j

b g b ge j

tkgm

Nms

Umschaltverzögerung

av n

nt

ms

sm

s

Umschaltweg

s t vnn

sms

U

U

M

M

U

U U

=+ • • −

• + •=

=• −FHG

IKJ

=

• −FHG

IKJ

=

= • • • • +FHG

IKJ

= • • • • +FHG

IKJ

−

−

−

−

−

, , , min

, , , ,,

:

, minmin

,,

:

, ,min

min=9 3, mm

RechenbeispielHubantrieb10


Zur Berechnung der Bremswerte muß eine durch “Totzeit” entstehende Drehzahländerung einbezo-gen werden. Diese Totzeit entsteht zwischen Motorschaltung und Bremseneinfall.

∆

∆

∆

∆

nM t

J J

t s

nNm s

kgm kgm

Bremszeit

tJ J n n

M M

tkgm

Nms

Bremsverzögerung

av n n

nt

stat

M X

BM X

B stat

B

B

M

M

B

= • • •+ •

=

= • • •+ •

=

=+ • • −

• + •

=+ • • −

• + •=

=• −

=

−

−

9 55

0 015

9 55 6 2 0 85 0 015

0 00481 0 00057 0 85121

9 55

0 00481 0 00057 0 85 630 121

9 55 20 6 2 0 850 011

22

2

2

2 21

2

2 1

2

1

2

,

,

, , , ,

, , ,min

:

,

, , , min

, , ,,

:

ηη

η

η

b g b ge j

b g b ge j

0 3630 121

26800 011

5 2

10 2 12

10 0 36302680

0 015630 121

2630

12

0 011630 121

6301 3

012 012 1 3 016

1

1

2

3 1

22

1

1

1

1

3

,min

min,

,

:

, , , ,

:

, , , ,

:

ms

sm

s

Bremsweg

s vnn

tn n

nt

n nn

sms

s s mm

Anhaltegenauigkeit

X s mm mm

Schalthäufigkeit

mitPP

BM

M

M

MB

M

M

B

B B

L

•−

=

= • • • •−

+ • • −F

H

GGG

I

K

JJJ

= • • • •−

+ • • −F

H

GGG

I

K

JJJ

=

≈ ± • = ± • = ±

−

−b g

∆∆

NP

zul

X

H

M ZX

M

P

kWkW

und ED ist K

Z Z

MM

J J J

J

Kch

NmNm

kgm

kgm

ch

= = = ≈

= •−

+ +• = •

−

+FHG

IKJ

• =

1 721 8

0 96 50% 0 32

12600

1 6 2141

0 00481 0 000570 85

0 00481

0 32 40902

2

,,

, ,

,,

, ,,

,

,

η



10.2.2 Abwärts

Da der Motor generatorisch betrieben wird, wird für die Berechnungen der Abwärtsfahrt dieMotordrehzahl mit der Synchrondrehzahl 3000 min-1, bzw. 750 min-1 eingesetzt,

Anlaufzeit

tJ J n

M M

kgm

Nms

Anlaufbeschleunigung

av n

nt

ms

sm

s

Anlaufweg

s tnn

v sms

mm

Umschaltzeit

t

A

MX

M

H L

A

S

M

A

A AS

M

U

:

,

, ,,

min

, , , ,,

:

, minmin

,,

:

, ,

:

=+F

HGIKJ •

• + •=

+FHG

IKJ •

• + •=

=•

=•

=

= • • • • = • • • • =

=

−

−

−

η

η9 55

0 00481 0 000570 85

3000

9 55 141 6 2 0 850 09

0 3 30002680

0 093 7

12

100012

0 0930002680

0 3 1000 15

2

2 1

2

2

2

1

1

2

2

2

e j e j

J J n n

M M

tkgm

Nms

Umschaltverzögerung

a

nn

v nn

t

ms

sm

s

Umschaltweg

s tnn

vnn

M X S S

U L

U

U

S

M

S

S

U

U US

M

S

S

+ • • −

• − •

=+ • • −

• − •=

=• • −

FHG

IKJ

=• • −F

HGIKJ

=

= • • • • • +

−

η

η

b g b ge j

b g b ge j

2 12

2 1

2

2

2

1

22

2

2

1

9 55

0 00481 0 00057 0 85 3000 750

9 55 17 5 6 2 0 8501

1 30002680

0 3 1 7503000

012 5

12

1000 1

,

, , , min

, , , ,,

:

,

,,

:

2

12

2 1

2

12

0130002680

0 3 1000 17503000

201

9 55

0 00481 0 00057 0 85 750 121

9 55 20 6 2 0 850 03

FHG

IKJ

= • • • • • +FHG

IKJ =

=+ • • +

• − •=

+ • • +

• − •=

−

, , ,

:

,

, , , min

, , ,,

sms

mm

Bremszeit

tJ J n n

M M

kgm

NmsB

M X S

B L

η

η

b g b ge j

b g b ge j

∆



Die zulässige Zyklenzahl wird wie folgt ermittelt:

Die zusätzliche Erwärmung beim Schalten von der hohen auf die niedrige Drehzahl verringert diezulässige Schalthäufigkeit je nach Motortyp. In unserem Fall ist der Verringerungsfaktor 0,7.

Somit sind maximal 196 Zyklen (Auf- und Abwärtsfahrten) möglich.

Die Berechnung des Getriebes erfolgt wie im vorhergehenden Beispiel.

Bremsverzögerung

a

nn

v n nn

t

ms

sm

s

Bremsweg

s vnn

nn

tn n

nt

n nn

sms

s s mm

Anhaltegenauigkeit

X

B

S

M

S

S

B

BS

M

S

S

S

SB

S

S

B

:

,

,,

:

, , , ,

:

=• • +

=• • +

=

= • • • • •+

+ • • +F

H

GGG

I

K

JJJ

= • • • • •+

+ • • +F

H

GGG

I

K

JJJ

=

2

2

1

22

3 2

2

1

22

1

1

1

1

3

30002680

0 3 750 1213000

0 033 2

10 2 12

10 0 330002680

7503000

0 015750 121

2750

12

0 03750 121

7502 8

∆

∆∆

B B

L

NP

zul

X

H

M Z X

M

P

s mm mm

Schalthäufigkeit

mitP

PkW

kWund ED ist K

Z Z

MM

J J JJ

Kch

NmNm

kgm

kgm

ch

≈ ± • = ± • = ±

• = • = = ≈

= •−

+ + •• = •

−

+ •• =

012 012 2 8 0 3

1 72 0 851 8

0 69 50% 0 55

12600

1 4 5141

0 00481 0 00057 0 85

0 00481

0 55 885

2 2

0 2

2

, , , ,

:

, ,,

, ,

,,

, , ,

,

,

η

η b g

ZZ ZZ Z

ch

chZykl

zul zul

zul zul= •

+= •

+=1 2

1 2

409 885409 885

280



10.3 Hubwerk mit Frequenzumrichter

Der Hubantrieb soll mit einem frequenzgesteuerten Antrieb ausgestattet werden.

10.3.1 Vorgaben

Hubrahmengewicht: m0 = 200 kg Lastgewicht: mL = 300 kgHubgeschwindigkeit: v = 0.3 m/s Kettenraddurchmesser: D = 250 mmEckfrequenz: fEck = 50 Hz max. Frequenz: fmax= 70 HzBeschleunigung/Verzögerung: a = 0,3 m/s2 Einschaltdauer: 50% EDStellbereich: 1:10 Getriebe: Kegelradgetriebe ohne VorgelegeηL: 0,9 ηG: 0,92η = ηL • ηG = 0,83

10.3.2 Leistungsberechnung

statische Leistung:

Die gewählte Motorleistung sollte größer als die errechnete statische (quasistationäre) Leistung sein.

Hinweis:Grundsätzlich sollten Hubwerke am Frequenzumrichter auf eine maximale Frequenz von 70 Hzausgelegt werden. Erreicht der Antrieb die maximale Geschwindigkeit bei 70 Hz anstatt bei 50 Hz,wird die Getriebeübersetzung und damit auch die Drehmomentenübersetzung um Faktor 1,4 (70/50)höher. Stellt man nun die Eckfrequenz auf 50 Hz, so erhöht sich das Abtriebsdrehmoment durch dieseMaßnahme bis zur Eckfrequenz um Faktor 1,4 und fällt dann bis 70 Hz auf Faktor 1,0. Durch dieseEinstellung wird eine Drehmomentreserve von 40% bis zur Eckfrequenz projektiert. Dies bringterhöhtes Startmoment und mehr Sicherheit für Hubwerke.

Unter der Annahme, daß die dyn. Leistung bei Hubwerken ohne Gegengewicht relativ gering (< 20%der stat. Leistung) ist, kann der Motor durch die Ermittlung von Pstat bestimmt werden.

In diesem Beispiel: Pstat = 1,77 kWgewählter Motor PN = 2,2 kWUmrichter PN = 2,2 kW

Aus thermischen Gründen und auch aufgrund der besseren Magnetisierung wird empfohlen, denMotor bei Hubwerken 1 Typensprung größer zu wählen. Dies trifft speziell dann zu, wenn die stat.Leistung nahe der Bemessungsleistung des Motors ist. Im vorliegenden Beispiel ist der Abstand großgenug, so daß eine Überdimensionierung des Motors nicht notwendig ist.

Damit ergibt sich der Motor

DT100LS 4 BMGPN = 2,2 kWnM = 1400 min-1 (bei 50 Hz); 1960 min-1 (bei 70 Hz)JM = 0,00481 kgm2

MB = 40 Nm Daten aus Katalog “Getriebemotoren”

Pm g v

kg ms

ms kWstat = • •

•=

• •

•=

1000

500 9 81 0 3

1000 0 831 77

2

η

, ,

,,



externes Massenträgheitsmoment:

Mit einer angenommenen Beschleunigung von 0,3 m/s2 wird die Anlaufzeit tA = 1 s.

Man sieht, daß bei Hubwerken das Beschleunigungsmoment nur einen geringen Anteil gegenüberdem statischen Lastmoment einnimmt.

Wie bereits erwähnt, muß das Hochlaufmoment kleiner sein als 130% des vom Umrichter zurVerfügung gestellten Nennmomentes, umgerechnet aus der Nennleistung.

Auf dieselbe Art werden nun die Leistungen aller Betriebszustände gerechnet. Dabei ist auf dieWirkrichtung des Wirkungsgrades und auf die Fahrtrichtung (auf/ab) zu achten!

ohne Last auf mit Last auf ohne Last ab mit Last ab

statische Leistung 0,71 kW 1,77 kW -0,48 kW -1,20 kW

statische + dynamische Anlaufleistung 0,94 kW 2,02 kW -0,25 kW -0,95 kW

statische + dynamische Bremsleistung 0,48 kW 1,52 kW -0,71 kW -1,45 kW

J mv

nkg

ms kgm

MP

nkW

Nm

MJ J n

tM

XM

statstat

M

H erf

MX

M

Astat

= • •FHG

IKJ

= • •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=

= • = • =

=+F

HGIKJ •

•+

−

−

91 2 91 2 5000 3

19600 001

9550 1 77 9550

19608 6

9 55

2

1

2

2

1

, ,,

min,

,

min,

,_η

Mkgm

sNm NmH erf_

, ,,

min

,, ,=

+FHG

IKJ •

•+ =

−0 00481 0 0010 83

1960

9 55 18 6 9 8

2 1

MP

nkW

Nm

MM

NmNm

PM n Nm

kW

NN

M

H erf

N

erfH erf M

= • = • =

= = <

=•

= • =

−

−

9550 2 2 9550

196010 7

9 810 7

92% 130%

95509 8 1960

95502 02

1

1

,

min,

,,

, min,

_

_



10.3.3 Bremswiderstände

Um eine Aussage über die benötigte Nennleistung des Bremswiderstands machen zu können, mußder Fahrzyklus genauer betrachtet werden.

Angenommener Fahrzyklus (zweimal pro Minute = 4 Bremsphasen pro 120 s):

Die schraffierten Flächen entsprechen der generatorischen Bremsarbeit. Die Einschaltdauer einesBremswiderstandes bezieht sich auf eine Spieldauer von 120 Sekunden. In unserem Fall ist derBremswiderstand 7 Sekunden pro Spiel im Betrieb und damit 28 Sekunden pro Bezugszeit. DieEinschaltdauer ist damit 23%. Die mittlere Bremsleistung errechnet sich aus den Einzelleistungen:

Die Zwischenrechnung entspricht der Flächenberechnung der obigen Abbildung:

2 3 5 781

6

0

P [kW]

1 2 3 45 6 7

8 9 10 1112 13 14 15

t[s]4

2,0

1,5

1,0

0,5

-0,5

-1,0

-1,5

-2,0

mit Last auf ohne Last ab ohne Last auf mit Last ab

5700795ADE

Bild 57: Fahrzyklus

PP t P t P t

t t tB mittln n

n_ .

......

=• + • + + •

+ + +1 1 2 2

1 2

P t kW s kWs

P t kW s kWs

P t kW s kWs

P t kW s kWs

P t kW s kWs

P t kW s kWs

P t kW s kWs

P t kW

1 1

2 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 7

8 8

0 252

1 0125

0 48 1 0 48

0 0450 71 0 045

20 9 0 34

0 048 0 5 0 024

0 952

1 0 475

1 2 1 1 2

0121 45 012

20 9 0 707

012 0

• = • =

• = • =

• = + −FHG

IKJ • =

• = • =

• = • =

• = • =

• = + −FHG

IKJ • =

• = •

,,

, ,

,, ,

, ,

, , ,

,,

, ,

,, ,

, ,

, ,5 0 06s kWs= ,



Die mittlere Bremsleistung beträgt:

Die max. Bremsleistung beträgt PB_max = 1,5 kW. Dieser Wert darf den Tabellenwert des ausgewähl-ten Bremswiderstandes bei 6% ED nicht überschreiten.

Für einen Frequenzumrichter MOVITRAC® 31C022 für den Betrieb eines Motors mit 2,2 kW sieht dieAuswahltabelle für Bremswiderstände folgendermaßen aus:

(Auszug aus der Tabelle “Bremswiderstände Typenreihe BW... für MOVITRAC® 31C...-503"aus dem Katalog ”MOVITRAC® 31C Frequenzumrichter".)

Bremswiderstand Typ BW200-003 BW200-005 BW100-003 BW100-005 BW100-002 BW100-006 BW068-002 BW068-004

Belastbarkeit bei100% ED1)

50% ED25% ED12% ED6% ED

0,23 kW2)

0,31 kW0,43 kW0,58 kW1,02 kW

0,45 kW2)

0,60 kW0,79 kW1,06 kW1,76 kW

0,23 kW2)

0,31 kW0,42 kW0,59 kW1,04 kW

0,45 kW2)

0,60 kW0,83 kW1,11 kW2,00 kW

0,2 kW0,4 kW0,6 kW1,2 kW1,9 kW

0,6 kW1,1 kW1,9 kW3,5 kW5,7 kW

0,2 kW0,4 kW0,6 kW1,2 kW1,9 kW

0,4 kW0,7 kW1,2 kW2,4 kW3,8 kW

generatorische Leistungsbegrenzung der Umrichtertypen beachten!(= 150% empfohlene Motorleistung; siehe Technische Daten)

Widerstandswert 200 Ω ± 10% 100 Ω ± 10% 68 Ω ± 10%

Auslösestrom von F16 0,23 A 0,46 A 0,40 A 0,79 A 0,72 A 1,8 A 0,8 A 1,4 A

Bauart Flachbauform (Tafelbauform) Drahtwiderstand auf Keramikrohr

Elektr. Anschlüsse Anschlußkabel, Länge ca. 500 mm Keramikklemmen für 2,5 mm2

Schutzart IP 54 IP 20 (in montiertem Zustand)

Umgebungs-temperatur -20...+45°C

Kühlungsart KS = Selbstkühlung

für MOVITRAC® 31C005...31C015 31C022...31C030

1) ED = Einschaltdauer des Bremswiderstands, bezogen auf eine Spieldauer TD # 120 s.2) Die Belastbarkeit gilt für waagrechte Einbaulage, bei senkrechter Einbaulage reduzieren sich die Werte um 10%.

In der Zeile 25% ED findet man mit 0,6 kW-Effektivleistung den hier passenden Bremswiderstand:entweder BW100-002 oder BW068-002.

Weitere Technische Daten und Projektierungshinweise zur Auswahl von Bremswiderständen findenSie im Katalog “MOVITRAC® 31C Frequenzumrichter” und in “Praxis der Antriebstechnik Band 5".

Die Berechnung des Getriebes erfolgt wie im vorhergehenden Beispiel.

Vergleicht man den frequenzgesteuerten Antrieb mit dem polumschaltbaren Motor, so könnenfolgende Vorteile für den Frequenzumrichter-Betrieb genannt werden:

• Schalthäufigkeit praktisch unbegrenzt

• Haltegenauigkeit wird entsprechend der langsameren Positioniergeschwindigkeit besser

• Fahrverhalten (Beschleunigung und Verzögerung) wird wesentlich verbessert und einstellbar

PkWss

kWB mittl_ .,

,,= =3 41

6 80 5



11 Rechenbeispiel Kettenförderer mit Frequenzumrichter

11.1 Vorgaben

Ein Kettenförderer soll Holzkisten mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/s eine Steigung von α = 5°hochtransportieren. Es sind maximal 4 Kisten mit je 500 kg auf dem Band. Die Kette selbst hat einGewicht von 300 kg. Der Reibwert zwischen Kette und Unterlage ist mit µ = 0,2 vorgegeben. Am Endedes Kettenförderers ist ein mechanischer Anschlag angebracht, der die Aufgabe hat, die Kisten vordem Abschieben auf ein zweites Band gerade zu richten. Bei diesem Vorgang rutscht die Holzkisteauf der Kette mit einem Reibwert von µ = 0,7.

Es soll ein Schneckengetriebe, frequenzgeregelt bis ca. 50 Hz, eingesetzt werden.

v = 0,5 m/sα = 5°mL = 2000 kgm0 = 300 kgµKette = 0,2 (zwischen Kette und Unterlage)µKiste = 0,7 (zwischen Kiste und Kette)a = 0,25 m/s2 (gewünschte Beschleunigung)D = 250 mm (Kettenraddurchmesser)


Widerstandskräfte:

1. Steigung mit Reibung:

Kraftrichtung nach oben!

Die Gewichtskraft beinhaltet das Gewicht der 4 Kisten und das halbe Kettengewicht.

2. Rutschreibung (Kiste-Kette) an der schiefen Ebene:

Kraftrichtung nach unten!

Je nach Übersetzung ist der Wirkungsgrad eines Schneckengetriebes sehr unterschiedlich. Esempfielt sich daher, an dieser Stelle, wo erforderliches Drehmoment und Übersetzung noch nichterrechnet sind, mit einem vorläufig angenommenen Wirkungsrad von 70% zu rechnen.

Dies macht eine nachträgliche Nachrechnung notwendig.

Der Wirkungsgrad der Kette ist nach Tabelle mit 0,9 einzurechnen.

5800796AXX

Bild 58: Kettenförderer

F F undS G= •+

= =sin

costan , arctan ,

α ρρ

µ ρ ρb g

0 2

F kgm

sNS = + • •

°+ °°

=2000 150 9 815 11 3

11 360402b g b g

,sin ,

cos ,

F F N NS G= •−

= •°− °

°= =

sincos

sincos

arctan ,ρ α

ρρ

b g b g4900

35 535

2990 0 7

RechenbeispielKettenförderer11


statische Leistung:

Da der Kettenförderer im Dauerbetrieb “durchläuft”, wird ein Motor gewählt, dessen Nennleistunggrößer ist als die max. stat. Leistung. Im Kurzzeitbetrieb kann hier oftmals ein kleinerer Motoreingesetzt werden. Dies bedarf jedoch einer genauen thermischen Nachrechnung bei SEW.

Damit ergibt sich der Motor:

DV 132M 4 BMPN = 7,5 kWnM = 1430 min-1

JM = 0,03237 kgm2

MB = 100 Nm

externes Massenträgheitsmoment und Motormomente:

Mit einer angenommenen Beschleunigung von 0,25 m/s2 wird die Anlaufzeit tA = 2 s.

Das Hochlaufmoment ist hier bezogen auf den “worst case”, d.h. wenn 4 Kisten auf der Kette liegenund eine davon sich am Anschlag befindet.

Wie bereits erwähnt, muß das Hochlaufmoment kleiner sein als 130% des vom Umrichter zurVerfügung gestellten Nennmoments, umgerechnet aus der Nennleistung.

einzusetzender Frequenzumrichter: z.B. MOVITRAC® 31C075

PF v N m

s kWstat = • =•

• •=

η

9030 0 5

0 7 0 9 10007 17

,

, ,,

J mv

nkg

ms kgm

MP

nkW

Nm

MJ J n

tM

XM

statstat

M

H

MX

M

Astat

= • •FHG

IKJ

= • + •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=

= • = • =

=+F

HGIKJ •

•+

−

−

91 2 91 2 2000 3000 5

14300 026

9550 7 17 9550

143047 9

9 55

2

1

2

2

1

, ,,

min,

,

min,

,

b g

η

Mkgm

sNm NmH =

+FHG

IKJ •

•+ =

−0 03237 0 0260 63

1430

9 55 247 9 53 4

2 1, ,,

min

,, ,

MP

nkW

Nm

MM

NmNm

NN

M

H

N

= • = • =

= = <

−9550 7 5 9550

1430501

53 4501

107% 130%

1,

min,

,,

RechenbeispielKettenförderer 11



Abtriebsdrehzahl:


Betriebsfaktor:

Bei Betrieb mit 16 Stunden/Tag und 10 Schaltungen/Stunde wird folgender Betriebsfaktor ermittelt:(→ Kapitel 7 “Getriebe”, Bild 45 “Notwendiger Betriebsfaktor fB”)

Getriebeauswahl:

Hier kann ein Getriebe S97 mit na = 38 min-1, Mamax = 1650 Nm bei einem fB = 1,7 gewählt werden.

Überprüfung des Wirkungsgrads:

In der Tabelle 0293604 im Getriebemotoren-Katalog ist für dieses Getriebe ein Wirkungsgrad von86% angegeben. Da anfangs ein Wirkungsgrad von 70% angenommen wurde, kann nun überprüftwerden, ob ein kleinerer Antrieb ausreichend wäre.

Der nächst kleinere Motor ist mit 5,5 kW Bemessungsleistung zu klein.

Damit steht als Antrieb fest: S97 DV132M 4 BMG

nv

Di

ms

mma V= ••

• =•

•• = −60000 0 5 60000

2501 38 2 1

π π

,, min

innM

a= = =

−

−1430

38 237 4

1

1min

, min,

MassenbeschleunigungsfaktorJJ

kgm

kgmStoßgrad II

f

ext

Mot

B

= = = ⇒

=

0 026

0 0320 8

11

2

2,

,,

,

PN m

s kWstat =•

• •=

9030 0 5

0 86 0 9 10005 83

,

, ,,

RechenbeispielKettenförderer11


12 Rechenbeispiel Rollenbahn mit Frequenzumrichter

12.1 Vorgaben

Stahlplatten sollen mittels Rollenbahnantrieben befördert werden. Eine Stahlplatte hat die Maße3000•1000•100 mm. Pro Bahn sind 8 Stahlrollen mit einem Durchmesser von 89 mm und einer Längevon 1500 mm angeordnet. Je 3 Bahnenwerden voneinem Frequenzumrichtergespeist. Die Kettenräderhaben 13 Zähne und ein Modul von 5. Der Lagerzapfendurchmesser der Rollen beträgt d = 20 mm. Eskann sich immer nur eine Platte auf einer Bahn befinden.

Die maximale Geschwindigkeit ist 0,5 m/s, die maximal zulässige Beschleunigung 0,5m/s2.

v = 0,5 m/sazul = 0,25 m/s2 (gewünschte Beschleunigung)D = 89 mm (Rollen-Außendurchmesser)dI = 40 mm (Rollen-Innendurchmesser)DK = 65 mm (Kettenrad-Durchmesser)m = 2370 kg (Stahlplatte)


Fahrwiderstand:

Das Gewicht der Platte ist bei einer Dichte von 7,9 kg/dm3 (Stahl) und einem Volumen von 300 dm3

m = 2370 kg. Der Fahrwiderstand wird berechnet wie beim Fahrantrieb:

statische Leistung:

Wichtig ist nun der Wirkungsgrad.

Laut Tabelle ist der Wirkungsgrad von Ketten η = 0,9 je vollständige Umschlingung. Betrachtet mandie Kettenanordnung, liegen in unserem Fall 7 vollständige Kettenumschlingungen vor.

Der Gesamtwirkungsgrad berechnet sich somit zu:

5900797AXX

Bild 59: Rollenbahn mit Mehrmotorenantrieb

6000798AXX

Bild 60: Kettenanordnung

F m gD

d f c c f Kap Tabellenanhang

F kgm

s mmmm mm N

F L

F

= • • • • • +FHG

IKJ +

FHG

IKJ →

= • • • • • +FHG

IKJ +

FHG

IKJ =

2 12

17

2370 9 812

890 005

12

20 0 5 0 3102

µ , . ,

, , ,

b g

η η

η

ges KetteX

ges Kette

X Anzahl der Umschlingungenb g

b g

= = =

= =

7

0 9 0 487, ,

RechenbeispielRollenbahn 12


Damit ist die erforderliche statische Motorleistung:


Das externe Massenträgheitsmoment teilt sich in diesem Fall in das Massenträgheitsmoment derPlatte und das Massenträgkeitsmoment der Rollen. Das Massenträgheitsmoment der Ketten kannbei diesen Verhältnissen vernachlässigt werden.

1. Platte

2. Rollen

das Massenträgheitsmoment eines Hohlzylinders ist:

Um einen gemeinsamen Bezugspunkt von Motormassenträgheitsmoment und externem Massen-trägheitsmoment zu haben, muß das externe Massenträgheitsmoment um die Getriebeübersetzung“reduziert” werden.

PF v N m

s kWstatF

G ges Kette= •

•=

•

• •=

η η b g

310 0 5

0 95 0 48 10000 34

,

, ,,

J mv

nkg

ms kgmX

M= • •

FHG

IKJ

= • •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=−91 2 91 2 23700 5

14000 0276

2

1

2

2, ,,

min,

m V

V D l d l

V mm mm mm mm mm dm

m dmkg

dmkg

J m r r

J kg m kgm

J Jn

n

I

a I

XM

= •

= • •FHG

IKJ − • •F

HGIKJ

= • •FHG

IKJ − • •F

HGIKJ = =

= • =

= • • +

= • • + =

= •FHG

IKJ

ρπ π

π π4 4

489 1500

440 1500 7032062 7 03

7 03 7 9 56

1212

56 0 0445 0 020 013

2 2

2 2 2 2 3 3

33

2 2

2 2 2 2

2

,

, ,

, , ,

e j

e j

RechenbeispielRollenbahn12


Die Abtriebsdrehzahl berechnet sich aus der Plattengeschwindigkeit und dem Rollendurchmesser.

Damit ist das auf die Motorwelle reduzierte Massenträgheitsmoment einer Rolle

Das gesamte externe Massenträgheitsmoment ist dann

Dynamisch benötigtes Hochlaufmoment zum Beschleunigen der Last (ohne Motor) an der Getriebe-eintriebsseite, zum Abschätzen der Motorleistung.

Die aufzuwendende Gesamtleistung (ohne Beschleunigungsleistung der Motormasse, die noch nichtfeststeht) liegt bei

Es wird ein 2,2 kW Motor gewählt.

DT 100LS4 BMGPN = 2,2 kWnN = 1400 min-1

JM = 48,1•10-4 kgm2

damit wird

nv

D

ms

mma = • ••

=• •

•= −1000 60 0 5 1000 60

89107 3 1

π π

,, min

J kgm kgmX = •FHG

IKJ

=−

−013107 3

14000 0007642

1

1

22,

, min

min,

J J J kgm kgm kgmXges XPlatte XRollen= + = + • =0 0276 7 0 000764 0 032952 2 2, , ,

M

J n

t

kgm

sNm

PM n Nm

kW

dyn Last

XM

A

dyn Lastdyn Last M

_

__

,

,, ,

min

,,

, min,

=•

•= •

•

•=

=•

= • =

−

−

η9 55

0 032950 95 0 48

1400

9 55 110 59

955010 59 1400

95501 55

21

1

P P P kW kW kWges stat dyn Last= + = + =_ , , ,0 34 1 55 1 89

Mkgm

sNm Nm

MP

nkW

Nm

MM

NmNm

H

NN

M

H

N

=+

•FHG

IKJ •

•+ =

= • = • =

= = <

−

−

0 00481 0 032950 95 0 48

1400

9 55 12 3 13 6

9550 2 2 9550

140015 0

13 615 0

91% 130%

2 1

1

, ,, ,

min

,, ,

,

min,

,,

12RechenbeispielRollenbahn


Bei Mehrmotorenantrieben ist folgendes zu beachten:

• Zur Kompensation der Kabelkapazitäten wird bei Gruppenantrieben ein Ausgangsfilter empfohlen.

• Der Frequenzumrichter wird nach der Summe der Motorströme gewählt.

Laut Katalog ist der Nennstrom des gewählten Motors 4,95 A. Es wird also ein Frequenzumrichtermit einem Ausgangsnennstrom von 3•4,95 A = 14,85 A oder mehr benötigt.

Gewählt wird MOVITRAC®31C075-503-4-00 (16 A)

Die Getriebeauswahl erfolgt gemäß dem vorangegangenen Beispiel und führt zu folgenden Antrieb:

FA67 DT100LS4 BMGi = 11,31 PN = 2,2 kW 1400/107 min-1

MA = 187 Nm fB = 2,9 MB = 20 Nm

RechenbeispielRollenbahn12


13 Rechenbeispiel Drehtischantrieb

13.1 Vorgaben

Zur Bearbeitung sollen 4 Werkstücke alle 30 Sekunden um 90° Grad gedreht werden. Der Bewe-gungsvorgang soll in 5 Sekunden abgeschlossen sein und die maximale Beschleunigung darf0,5 m/s2 nicht überschreiten. Die zulässige Positionstoleranz liegt bei ±2 mm, bezogen auf denAußendurchmesser des Tisches.

Technische Daten:

Tischdurchmesser: 2000 mmTischgewicht: 400 kgWerkstückgewicht: 70 kg (Abstand Schwerpunkt zu Drehachse: lS = 850 mm)Vorgelegeübersetzung über Zahnkranz: iV = 4,4Die Stahl/Stahl-Lagerung hat einen Durchmesser von 900 mm.Der Rollreibungsfaktor µL wird mit 0,01 angegeben.


Berechnung des Massenträgheitsmomentes:

1. Tisch:

2. Werkstücke:

JS = Steineranteil des WerkzeugesIS = Abstand Werkstückschwerpunkt - Drehpunkt

Da die Werkstücke symmetrisch um den Drehpunkt verteilt sind, kann vereinfacht mit

gerechnet werden.

6100800AXX

Bild 61: Drehtischantrieb

J m r kg m kgmT = • • = • • =12

12

400 1 2002 2 2 2

J J m IW S S= • + •4 2

J m r kg m kgmW = • • = • • =4 4 70 0 85 202 32 2 2 2, ,

13RechenbeispielDrehtischantrieb


Das Massenträgheitsmoment des Zahnkranzes soll in diesem Fall vernachlässigt werden. Damit istdas externe Gesamt-Massenträgheitsmoment:

Drehzahl- und Anlaufzeitberechnung:

Vorgabe der Beschleunigung a = 0,5 m/s2

Leistungsberechnung:

Da das externe Massenträgheitsmoment des Drehtisches im Normalfall wesentlich höher ist als dasMotormassenträgheitsmoment, kann die Anlaufleistung hier schon hinreichend genau mit derAnlaufleistung für das externe Massenträgheitsmoment berechnet werden.

Ausgewählter Motor:

DT 63K4 B03PN = 0,12 kWnM = 1380 min-1

JM = 0,00048 kgm2

MB = 2,4 Nm

J J J kgm kgm kgmX T W= + = + =200 202 3 402 32 2 2, ,

va t a t a s

sTischumfang m

m

v

ms

s ms

s ms

mms

nv

U

ms

m

tva

ms

ms

sA

=• − • − • •

= = =

=• − •F

HGIKJ − • •

=

= • =•

=

= = =

−

b g2

2 2

2

2

1

2

4

2

46 283

41 57

0 5 4 5 0 5 4 5 4 0 5 1 570 43

60 0 43 60

6 28341

0 43

0 50 86

,,

, , , , , ,,

,

,, min

,

,,

P P P

PJ n

tkgm

skW

Pm g d n

kg ms

mmkW

P kW kW kW

ges dyn stat

dynX T

A

statL T

ges

= +

=•• •

= •• •

=

= • • • •• • •

=• • • •

• • •=

= + =

−

−

2 2 2 2

21

91200402 3 41

91200 0 86 0 90 096

2 1000 9550

680 9 81 0 01 900 41

2 1000 9550 0 90 014

0 096 0 014 011

η

µη

, , min, ,

,

, , , min

,,

, , ,

Σ

RechenbeispielDrehtischantrieb13



Damit ist sicherer Hochlauf gewährleistet.

Überprüfen der Haltegenauigkeit:

Der Motor soll aus 5 Hz (R = 1:10) mechanisch gebremst werden.

Bremszeit:

Gebremst wird aus der min. Geschwindigkeit v = 0,043 m/s ⇒ nM = 138 min-1.

Bremsverzögerung:

Bremsweg:

Haltegenauigkeit:

Dieser Wert beinhaltet die Bremseneinfallzeit, jedoch keine externen Einflüsse auf Zeitverzögerung(z.B. SPS Rechenzeiten).

J Jn

nkgm kgm

MP

nNm

MJ J n

tM

Mkgm

sNm Nm

Mkw

Nm

X XM

statstat

M

H

MX

M

Astat

H

N

= •FHG

IKJ

= •FHG

IKJ

=

= • =

=+F

HGIKJ •

•+

=+F

HGIKJ •

•+ =

= • =

−

−

−

−

22

1

1

22

2 1

1

402 341

13800 00355

955001

9 55

0 00048 0 003550 9

1380

9 55 0 8601 0 84

012 9550

13800 83

,, min

min,

,

,

, ,,

min

, ,, ,

,

min,

η

tJ J n

M MB

M X M

B stat

=+ • •

• + •

η

η

b ge j9 55 2,

tkgm

NmsB =

+ • •

• + •=

−0 00048 0 00355 0 9 138

9 55 2 4 01 0 90 021

2 1

2

, , , min

, , , ,,

b ge j

avt

mss

m

sB

B= = =

0 043

0 0212 0

2

2

,

,,

s v t tms

s s mmB B= • • + •FHG

IKJ = • • + •F

HGIKJ =1000

12

0 043 1000 0 00312

0 021 0 62 , , , ,

X s mm mmB B≈ ± • = ± • = ±012 012 0 6 0 072, , , ,

13RechenbeispielDrehtischantrieb




Abtriebsmoment:

Bei Betrieb mit 16 h/Tag und Z = 120c/h (wobei durch Anlauf, Umschalten auf langsame Geschwin-digkeit und Bremsen 360 Lastwechsel pro Stunde entstehen)

ist der erforderliche Betriebsfaktor fB = 1,7.

gewählter Antrieb:

R40 DT63K4 B03i = 72,42fB = 1,65MA = 60 Nm

Getriebespiel:

Das abtriebseitige Getriebespiel beträgt bei diesem Getriebe 0,44°. Umgerechnet auf den Dreh-tischumfang entspricht dies einem Weg von 1,2 mm.

Das bedeutet, daß der bei weitem größte Anteil des Anlagenspiels aus der Vorgelegeübersetzungkommt. Dieser Wert ist im Einzelfall beim Hersteller zu erfragen.

in

n iM

A Getr V=

•=

•=

−

−b g

1380

41 4 476 5

1

1min

, min ,,

J

Jkgm

kgmStoßgrad III

X Mot

Mot

b g = = ⇒0 00355

0 000487 4

2

2,

,,

MPn

fkW

NmAN

A GetrB= • • = •

•• =−

9550 012 9550

41 4 41 7 1081b g

,

, min ,,

RechenbeispielDrehtischantrieb13


14 Rechenbeispiel Gurtförderer

14.1 Allgemein

Berechnung nach DIN 22101 “Rollengurtförderer”:

Widerstandskräfte:

Um die Bewegungswiderstände und die daraus resultierenden Leistungen zu ermitteln, werden dieauftretenden Kräfte beim Gurtförderer eingeteilt in:

• Hauptwiderstände FH

• Nebenwiderstände FN

• Steigungswiderstände FSt

• Sonderwiderstände FS

Hauptwiderstände:

Der Hauptwiderstand FH von Ober- und Untertrum wird zusammen für Ober- und Untertrumbestimmt. (Annahme: Linearer Zusammenhang zwischen Widerstand und bewegter Last.)

L = Länge des Förderbandes in mf = fiktiver Reibungsbeiwert (→ Kap. 17 Tabellenanhang); Annahme: f = 0,2g = 9,81 m/s2

mR= Gesamtmasse der RollenmL= maximal geförderte Last in kg/mα = mittlere Steigung der Förderstrecke

Nebenwiderstände:

• Trägheits- und Reibungswiderstände zwischen Fördergut und Gurt an einer Aufgabestelle

• Reibungswiderstände zwischen Fördergut und seitlichen Schurren

• Reibungswiderstände durch Gurtreiniger

• Gurtbiegewiderstände

F L f gmL

m mHR

G L= • • • + • + •FHG

IKJ2 ' ' cose j α

6200806AXX

Bild 62: Gurtförderer

14RechenbeispielGurtförderer


Die Summe der Nebenwiderstände FN wird durch den Beiwert C berücksichtigt:

Ist der Anteil der Nebenwiderstände am Gesamtwiderstand gering, kann der Beiwert C folgenderTabelle entnommen werden:

L [m] < 20 20 40 60 80 100 150 200 300

C 3 2,5 2,28 2,1 1,92 1,78 1,58 1,45 1,31

L [m] 400 500 600 700 800 900 1000 1500 > 2000

C 1,25 1,2 1,17 1,14 1,12 1,1 1,09 1,06 1,05

Nebenwiderstandsbeiwerte C abhängig von der Förderlänge L

Steigungswiderstand:

Der Steigungswiderstand der Förderlast ergibt sich aus folgender Formel:

L = Länge des Förderbandes [m]g = 9,81 m/s2

mL = maximal geförderte Last [kg/m]α = mittlere Steigung der Förderstrecke

Sonderwiderstände:

Sonderwiderstände sind alle bisher nicht aufgeführten zusätzlichen Widerstände.

14.2 Vorgaben

Ein Gurtförderer transportiert 650 t Sand (trocken) pro Stunde. Die maximale Gurtgeschwindigkeitbeträgt 0,6 m/s. Die Geschwindigkeit soll mechanisch um den Faktor 3 auf bis zu 0,2 m/s verstellbarsein. Die Förderstrecke ist 30 m lang. Der 500 mm breite Gurt hat ein Gewicht von 20 kg/m. DasGesamtrollengewicht beträgt ca. 500 kg. Der Gurttrommeldurchmesser beträgt D = 315 mm.


Hauptwiderstände:

Der Hauptwiderstand FH von Ober- und Untertrum wird zusammen für Ober- und Untertrum bestimmt(Annahme: Linearer Zusammenhang zwischen Widerstand und bewegter Last.).

F L f gmL

m m

F mm

s

kgm

kgm

kgm

N

HR

G L

H

= • • • + • + •FHG

IKJ

= • • • + • +FHG

IKJ • °

FHG

IKJ =

2

30 0 02 9 8150030

2 20 300 0 21002

' ' cos

, , cos

e j α

CFFN

H= +1

F L g mSt L= • • •' sinα

RechenbeispielGurtförderer14


Nebenwiderstände:

Steigungs- und Sonderwiderstände sind nicht vorhanden.

Statische Leistung:

Ohne Getriebe- und Verstellgetriebewirkungsgrad ergibt sich:

gewählter Motor:

DV 112M 4 BMGPN = 4,0 kWnN = 1420 min-1

MH/MN = 2,1JM = 110,2•10-4 kgm2


1. Massenträgheitsmoment der geradlinig bewegten Komponenten (Fördergut und Gurt)

2. Rollen (Hohlzylinder: mges = 500 kg, rA = 108 mm, rI = 50 mm)

CFF

F C F N N

N

H

N H

= +

= − • = − • =

1

1 2 4 1 2100 2940b g b g,

PF F F F v

statH N St S=

+ + + •b gη

PN N m

s Wstat =+ + + •

=2100 2940 0 0 0 6

0 93360

b g ,

,

J mv

n

J mkgm

kgm

ms kgm

XM

X

1

2

1 1

2

2

91 2

91 2 30 2 20 3000 6

14000171

= • •FHG

IKJ

= • • • +FHG

IKJ •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=−

,

,,

min,

J m r r

J kg m kgm

X A I

X

22 2

22 2 2 2

12

12

500 0108 0 050 3 54

= • • +

= • • + =

e j

e j, , ,



Um einen gemeinsamen Bezugspunkt von Motor- und externem Massenträgheitsmoment zu haben,muß nun das externe Massenträgheitsmoment um die Getriebeübersetzung “reduziert” werden.

Das gesamte externe Massenträgheitsmoment beträgt dann:

Motornennmoment und Hochlaufmoment:

Anlaufzeit:

Anlaufbeschleunigung:

J Jnn

nv

d

ms

mm

J kgm kgm

X XR

M

RA

X

2 2

2

1

22

1

1

22

1000 60 0 6 1000 60

108106

3 54106

14200 02

= •FHG

IKJ

= • ••

=• •

•=

= •FHG

IKJ

=

−

−

−

π π

,min

,min

min,

J J J kgm kgm kgmX X X= + = + =1 22 2 20171 0 02 0191, , ,

tJ J J n

M M

tkgm

Nm Nms

A

M ZX

M

H stat

A

=+ +F

HGIKJ •

• −

=+F

HGIKJ •

• −=

−

η9 55

0 01102 01910 76

1420

9 55 56 5 25 21 25

2 1

,

, ,,

min

, , ,,

b g

b g

MP

nW

Nm

M M Nm Nm

NN

N

H N

= • = • =

= • = • =

−9550 4 0 9550

142026 9

21 21 26 9 56 5

1,

min,

, , , ,

avt

mss

m

sA

A= = =

0 6

1 250 48 2

,

,,

RechenbeispielGurtförderer14


14.4 Getriebe- und Verstellgetriebeauslegung

Abtriebsdrehzahl:

Auszug aus dem Katalog “Verstellgetriebemotoren”, VARIBLOC® mit Stirnradgetriebe:

Pm/Pa2[kW]

na1 - na2[1/min]

i Ma1 Ma2[Nm]

Typ m[kg]

4.0/3.3 6.2 - 37 81.92 1450 870 R 87 VU/VZ31 DV 112M4 155

Von der maximalen Drehzahl na2 ausgehend wird ein

R87 VU31 DV112M4 mit i = 81,92

gewählt.

Pa2 gibt die abtriebsseitige Nennleistung an. Diese muß größer sein als die errechnete Lastleistung.

Zusätzlich müssen die maximalen zulässigen Drehmomente in Abhängigkeit von den Drehzahlenüberprüft werden.

Damit steht der Antrieb fest.

nv

Di

ms

mma V= ••

• =•

•= −60000 0 6 60000

31536 4 1

π π

,, min



15 Rechenbeispiel Kurbelschwingenantrieb

15.1 Allgemein

Mit Kurbelantrieben (speziell Koppelkurven) können komplizierteste Bewegungsabläufe mit höchsterDynamik und Wiederholgenauigkeit auf mechanische Art vollzogen werden.

Da solche “Gelenkgetriebe” einen großen Rechenaufwand mit sich bringen, der fast ausschließlichmit entsprechenden Rechenprogrammen bewältigt werden kann, wird in diesem Kapitel speziell aufdie Berechnung eines Schubkurbelantriebs eingegangen.

Der Schubkurbelantrieb dient zur Umwandlung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung.Der gravierende Unterschied zu den schon beschriebenen Antrieben ist, daß der Schubkurbelantrieban jedem Punkt seine dynamischen Werte ändert. Theoretisch vergleichbar ist dies mit einemVorgelege, das kontinuierlich seine Übersetzung ändert.

Die Näherungsformeln, mit denen hier gerechnet wird, lauten für konstante Winkelgeschwindigkeitwie folgt:

ω = Winkelgeschwindigkeit = π•nA/30 [min-1]nA = Abtriebsdrehzahl [min-1]λ = Schubstangenverhältnis = Kurbelradius/Schubstangenlängeϕ = Kurbelwinkel [Grad]r = Kurbelradius [m]s = momentaner Verfahrweg der Last [m]v = momentane Geschwindigkeit der Last [m/s]a = momentane Beschleunigung der Last [m/s2]

und damit

Pstat = momentane statische Leistung [kW]Pdyn = momentane dynamische Leistung [kW]WK = Zusatzkraft [N]

s r r

v r

a r

= • − + • •

= • • • + •

= • • + •

12

1

2

2

2

cos sin

sin cos

cos cos

ϕ λ ϕ

ω ϕ λ ϕ

ω ϕ λ ϕ

b g

b gb g

PF W v

Pm a v

statW K

L G

dynL G

=+ •• •

= • •• •

b g1000

1000

η η

η η

RechenbeispielKurbelschwingenantrieb15


Um einen genauen Leistungsverlauf zu berechnen, müßte nun der Zyklus Winkelgrad für Winkelgradnachgerechnet werden. Dafür ist natürlich ein Computerprogramm prädestiniert und auf diese Artrechnet auch z.B. das SEW-Projektierungsprogramm.

Eine zusätzliche Schwierigkeit tritt auf, wenn die Umlaufgeschwindigkeit nicht konstant ist. Dies istz.B. der Fall, wenn der Antrieb anläuft. Sind die Anlaufpositionen jeweils die Totpunkte der Kurbel-schwinge, können diese im Normalfall bei der Leistungsberechnung vernachlässigt werden. Sind dieAnlaufpositionen jedoch unterschiedlich, müssen die Anläufe wegen der Überlagerung der Kurbeldy-namik mit der Motordynamik seperat überprüft werden.

Im folgenden Beispiel soll jedoch lediglich eine Leistungsabschätzung auf einfache Weise aufgezeigtwerden. Bei komplizierteren Anwendungen möchten wir auf spezielle Rechenprogramme verweisen.

15.2 Vorgaben

Ein Palettenumsetzer schiebt 500 kg schwere Paletten von einem Rollenförderer zum andern. Diessoll mit einer Taktfrequenz von 30 Paletten/min geschehen.

Hebelarm der Rollreibung Holz auf Stahl: f = 1,2Kurbelradius: r = 0,5 mSchubstangenlänge: l = 2 m


Um nun nicht viele einzelne Punkte berechnen zu müssen,werden zwei Eckwerte gesucht.

1. Der Winkel der maximalen statischen Leistung (max. Geschwindigkeit, da Pøm•g•µ•v)

2. Der Winkel der maximalen dynamischen Leistung (Pøm•a•v)

Auf den jeweils bestimmenden Anteil wird der Antrieb festgelegt. Dies wird normalerweise beiHubantrieben der statische Anteil sein und bei Horizontalantrieben der dynamische Anteil.

6300810AXX

Bild 63: Kurbelschwingenantrieb

15RechenbeispielKurbelschwingenantrieb


1. Die max. stat. Leistung tritt im Normalfall dort auf, wo die Geschwindigkeit ihr Maximum hat.Dies ist dort der Fall, wo Kurbelstange und Schubstange einen rechten Winkel bilden.

Wichtig ist nun an diesem Punkt die Geschwindigkeit.

Näherungsweise gilt:

Fahrwiderstand und statische Leistung:

SchubstangeKurbel-stange

6400811ADE

Bild 64: Punkt der max. Geschwindigkeit

v r

n s s

r

vms

= • • • + •

= • • = • • =

= FHG

IKJ = °

=

− −

ω ϕ λ ϕ

ω π π

ϕ λ

sin cos

, ,

arctan

,

1

2 2 0 7 4 4

76

2 26

1 1

b g

F m gD

d f c

F kgm

s mmmm mm N

PF v

PN m

s kW

F L

F

stat

= • • • • • +FHG

IKJ +

FHG

IKJ

= • • • • • +FHG

IKJ +

FHG

IKJ

=

= •

=•

•=

2 12

500 9 812

2500 005

12

60 1 2 0 003 70

70 2 26

0 85 1000019

2

µ

η

, , , ,

,

,,

RechenbeispielKurbelschwingenantrieb15


2. Die max. dyn. Leistung tritt dort auf, wo das Produkt aus Beschleunigung und Geschwindigkeitdas Maximum erreicht. Durch Ableitung nach dem Winkel und Nullsetzen der Funktion erhältman diesen Wert bei:

Damit wird Pmax (der Einfachheit halber ohne das Trägheitsmoment der Rollen) bei ϕ = 37°:

Es wird hier deutlich, daß der statische Anteil in diesem Beispiel keine wesentliche Rolle spielt.

Als Motor wird ein DV132M4BM mit 7,5 kW gewählt, da, wie schon angesprochen, diese Berech-nungsmethode nur als Abschätzung gelten kann. Zum Optimieren muß nochmals auf das Projektie-rungsprogramm verwiesen werden.

Die Getriebeauslegung erfolgt entsprechend den vorangegangenen Beispielen.

Dabei gilt:erforderliche Übersetzung ca. 33erforderliche Abtriebsdrehzahl ca. 43 min-1

4 4 9 3 4 2 0

0 52

0 25 37

2• • + • • + • − • =

= = = = °

λ ϕ λ ϕ ϕ λ ϕ

λ ϕ

cos cos cos cos

,,

b g b g b g

Mitrl

mm

wird

Pm a v

v rms

a rm

s

Pkg m

sms kW

dynL G

dyn

= • •• •

= • • • + • =

= • • + • =

=• •

• •=

1000

1 1 6

2 9 05

500 9 05 1 6

1000 0 9 0 958 6

22

2

η η

ω ϕ λ ϕ

ω ϕ λ ϕ

sin cos ,

cos cos ,

, ,

, ,,

b g

b gc h

15RechenbeispielKurbelschwingenantrieb


16 Portal mit Servoantrieben

16.1 Vorgaben

Ein zweiachsiges Portal soll mit Servotechnik ausgerüstet werden.

Fahrachse (X- Achse), Kraftübertragung über Zahnriemen:

mL = 100 kg (Summe der bewegten Massen)D = 175 mm (Durchmesser der Riemenscheibe)µ = 0,1 (Reibkoeffizient der Achse lt. Hersteller)s = 3 m (Verfahrstrecke)amax = 10 m/s2 (max Beschleunigung)tz = 4 s (Taktzeit)t = 2 s (Verfahrzeit)ηL = 0,9 (Lastwirkungsgrad)

Hubachse (Y- Achse), Kraftübertragung über Zahnstange:

mL = 40 kg (Lastmasse)D = 50 mm (Durchmesser des Ritzels)s = 1 m (Verfahrstrecke)amax = 10 m/s2 (max Beschleunigung)tz = 2 s (Taktzeit)t = 0,75 s (Hubzeit)ηL = 0,9 (Lastwirkungsgrad)

6500818AXX

Bild 65: Portal mit Servoantrieben

Portal mitServoantrieben16


16.2 Optimierung der Fahrdiagramme

Fahrdiagramm der Fahrachse.

Damit wird:

Damit ist der Fahrzyklus der Fahrachse berechnet.

6600782AXX

Bild 66: Fahrdiagramm Fahrachse

va t a t a s

v

ms

s ms

s ms

m

vms

=• − • − • •

=• − •F

HGIKJ − • •

=

b g2

2 2

2

2

4

2

10 2 10 2 4 10 3

2

1 64,

tva

ms

ms

s

s a tm

ss m

s s s m

tsv

mms

s

a

a a

Fahr ges a

Fahr

= = =

= • • = • • =

= − • =

= = =

1 64

10016

12

12

10 016 0128

2 2 744

2 744

1 641 67

2

22

2 2

,,

, ,

,

,

,,

Portal mitServoantrieben 16


Fahrdiagramm der Hubachse.

Damit wird:

Damit ist der Fahrzyklus der Hubachse berechnet.

va t a t a s

v

ms

s ms

s ms

m

vms

=• − • − • •

=• − •F

HGIKJ − • •

=

b g2

2 2

2

2

4

2

10 0 75 10 0 75 4 10 1

2

1 73

, ,

,

tva

ms

ms

s

s a tm

ss m

s s s m

tsv

mms

s

a

a a

Fahr ges a

Fahr

= = =

= • • = • • =

= − • =

= = =

1 73

10017

12

12

10 017 0145

2 0 71

0 71

1 730 41

2

22

2 2

,,

, ,

,

,

,,

2

1

0

1

2

1 2 3 t [s]

v [m/s]

FahrachseHubachse auf

Hubachse ab

6700819ADE

Bild 67: Fahrdiagramme Fahrachse und Hubachse



16.3 Leistungsberechnung

16.3.1 Fahrachse

Fahrwiderstand und statisches Widerstandsmoment:

Beschleunigungskraft und Beschleunigungsmoment:

Gesamt-Beschleunigungsmoment:

Dynamisches Verzögerungsmoment und Gesamt-Verzögerungsmoment:

16.3.2 Hubachse aufwärts

Statische Hubkraft und statisches Hubmoment:


F m g kgm

sN

M FD

Nm

Nm

F L

stat FL

= • • = • • =

= • • = • • =

µ

η

100 9 81 01 981

21

9810175

21

0 99 5

2, , ,

,,

,,

F m a kgm

sN

M FD

Nm

Nm

dyn

dyn dynL

= • = • =

= • • = • • =

100 10 1000

21

10000175

21

0 997 2

2

η,

,,

M M M Nm Nm NmA dyn stat= + = + =97 2 9 5 106 7, , ,

M FD

Nm

Nm

M M M Nm Nm Nm

dyn dyn L

V dyn stat

= − • • = − • • = −

= + = − + = −

21000

01752

0 9 78 8

78 8 9 5 69 3

η ,, ,

, , ,

F m g kgm

sN

M FD

Nm

Nm

H

stat HL

= • = • =

= • • = • • =

40 9 81 392

21

3920 05

21

0 910 9

2,

,,

,η

F m a kgm

sN

M FD

Nm

Nm

dyn

dyn dynL

= • = • =

= • • = • • =

40 10 400

21

4000 05

21

0 9111

2

η,

,,





16.3.3 Hubachse abwärts:

Statische Senkkraft und statisches Senkmoment:




M M M Nm Nm NmA dyn stat= + = + =111 10 9 22, ,

M FD

Nm

Nm

M M M Nm Nm Nm

dyn dyn L

V dyn stat

= − • • = − • • = −

= + = − + =

2400

0 052

0 9 9

9 10 9 1 9

η ,,

, ,

F m g kgm

sN

M FD

Nm

Nm

H

stat H L

= • = • =

= − • • = − • • = −

40 9 81 392

2392

0 052

0 9 8 8

2,

,, ,η

F m a kgm

sN

M FD

Nm

Nm

dyn

dyn dynL

= • = • =

= • • = • • =

40 10 400

21

4000 05

21

0 9111

2

η,

,,

M M M Nm Nm NmA dyn stat= + = − =111 8 8 2 2, , ,

M FD

Nm

Nm

M M M Nm Nm Nm

dyn dyn L

V dyn stat

= − • • = − • • = −

= + = − − = −

2400

0 052

0 9 9

9 8 82 17 8

η ,,

, ,



Damit ergibt sich folgender Abtriebsdrehmomentenverlauf der beiden Achsen:


Das maximal mögliche Abtriebsdrehmoment bestimmt bei Planetengetrieben die Getriebegröße(Vergl. fB-Faktoren bei SEW-Standardgetrieben).

Damit liegen die Baugrößen der Planetengetriebe an dieser Stelle schon fest:

Fahrachse: Mmax = 106,7 Nm ergibt Baugröße 4 mit Mzul = 150Nm

Hubachse: Mmax = 22 Nm ergibt Baugröße 2 mit Mzul = 40Nm

Achtung:Die Katalogangaben der Maximaldrehmomente bei Planetengetrieben sind max. zulässige Spitzen-werte, während bei SEW-Standardgetrieben zulässige Dauerdrehmomente angegeben sind. Deshalbsind diese Getriebetypen von der Berechnung her nicht vergleichbar.

Kann ein SEW-Standardgetriebe eingesetzt werden, muß die Getriebeauswahl wie bei frequenzgere-gelten Antrieben erfolgen (fB-Faktoren).

0

20

40

60

80

100

-20

-40

-60

1 2 3 4 5 6 7 t [s]

M [Nm]

Hubachse

Fahrachse

6800820ADE

Bild 68: Drehmomentenverlauf



Um die Getriebeübersetzungen festlegen zu können, muß zunächst die Motordrehzahl gewähltwerden.

Soll ein Antrieb sehr hohe Regelbarkeit und Positioniergenauigkeit bei möglichst kleiner Baugrößeerfüllen, muß die Motordrehzahl hoch gewählt werden. Der Vorteil liegt in der Getriebeübersetzung.

Je höher die Motordrehzahl, desto größer die Getriebeübersetzung und damit auch das Abtriebs-drehmoment. Zudem ist die Positionsauflösung durch die höhere Übersetzung besser.

Der Nachteil der schnellen Motordrehzahl ist die kürzere Lagerlebensdauer und evtl. höhere erfor-derliche Motor-Anlaufmomente, da der Motor in derselben Zeit auf eine höhere Eigendrehzahlbeschleunigt werden muß.

SEW liefert Servomotoren in Ausführungen von 1200, 2000, 3000 und 4500 min-1.

Nach Abschätzung der o.g. Vor- und Nachteile wählen wir Motoren mit 3000 min-1.

Um Regelreserven zu haben, wird die Übersetzung so gewählt, daß die max. Drehzahl möglichst bei90% der Motor-Nenndrehzahl (hier 2700 min-1) erreicht wird.

Damit errechnen sich folgende Getriebeübersetzungen (ohne Vorgelege):

Fahrachse:

PSF 402i = 16Mamax= 150 Nmα < 10 Winkelminuten (in Normalausführung)η = 0,94

Hubachse:

PSF 301i = 4Mamax= 80 Nmα < 6 Winkelminuten (in Normalausführung)η = 0,97

nv

D

msm

inn

a

Mot

a

= ••

=•

•=

= = =

−

−

−

max,

,min

min

min,

60 1 64 60

0175179

2700

179151

1

1

1

π π

nv

D

msm

inn

a

Mot

a

= ••

=•

•=

= = =

−

−

−

max,

,, min

min

, min,

60 1 73 60

0 05660 8

2700

660 841

1

1

1

π π



Mit diesen Werten ist an dieser Stelle schon die statische Positioniergenauigkeit errechenbar.

Fahrachse:

Bei einer Standard-Geberauflösung von 1024x4.

Zusätzliches Anlagenspiel muß entsprechend addiert werden.

Hubachse:

Bei der Hubachse kann davon ausgegangen werden, daß die Zähne immer definiert an derselbenFlanke anliegen. Daher muß der Getriebespiel-abhängige Anteil nicht berücksichtigt werden.

Zusätzliches Anlagenspiel muß entsprechend addiert werden.

16.5 Motorenauswahl

Der einzusetzende Motor muß nun 3 Punkte erfüllen:

1. Das Spitzenmoment darf nicht Faktor 3 des Nennmoments M0 überschreiten.

2. Das errechnete effektive Drehmoment darf bei Betrieb ohne Fremdlüfter M0 nichtüberschreiten.

3. Das Verhältnis von ext. zu Motor-Massenträgheitsmoment (aktiver Teil ohne Bremse) sollteden Faktor 10 nicht überschreiten.

Die exakten Werte können zwar erst ermittelt werden wenn der Motor schon feststeht, für eineüberschlägige Auswahl sind die Daten jedoch schon ausreichend.

Fahrachse:

1. Errechnetes Last-Spitzenmoment (ohne Beschleunigung des Motorträgheitsmomentes).

MA = 106,7 Nm

Bezogen auf den Motor ergibt dies ein vorläufiges max. Motorhochlaufmoment von:

D.h. nach Kriterium Nr.1 darf der Motor 6,67 Nm/3 = 2,22 Nm nicht unterschreiten.

∆

∆

sD D

i

smm mm

mm

= ±• •

°± •

•

= ±• • • °

°± •

•= ±

π απ

π π

2360 4096

175 102

160

3601754096 16

014

'' ,

∆

∆

sD

i

smm

mm

= ••

= ••

= ±

π

π

4096

504096 4

0 01,

MM

iNm

NmHA= = =106 7

166 67

,,



2. Das effektives Drehmoment errechnet sich nach der Formel:

Nach dem Drehmomentdiagramm (→ Bild 68) und nach Einrechnung der Getriebeübersetzung von16 und der Pausenzeit von 2 Sekunden ist:

D.h. nach Kriterium Nr.2 darf der Motor 1,6 Nm nicht unterschreiten.

3. Das externe Trägheitsmoment ist:

Da Jext/JMot nicht größer als 10 werden soll, muß ein Motor > 0,0003 kgm2 gewählt werden.

D.h. nach Kriterium Nr.3 darf der Motor nicht kleiner als ein DY 71S (JMot = 0,000342 kgm2)werden.

Der gewählte Motor ist damit ein DY 71SB:

nN = 3000 min-1

M0 = 2,5 NmJMot = 0,000546 kgm2

I0 = 1,85 A

Hubachse:

1. Errechnetes Last-Spitzenmoment (ohne Beschleunigung des Motorträgheitsmomentes).

MA = 22 Nm

Bezogen auf den Motor ergibt dies ein vorläufiges max. Motorhochlaufmoment von:

D.h. nach Kriterium Nr.1 darf der Motor 5,5 Nm/3 = 1,83 Nm nicht unterschreiten.

2. Das effektive Drehmoment ist für Auf- und Abwärtsfahrt:

D.h. nach Kriterium Nr.2 darf der Motor 2 Nm nicht unterschreiten.

Mt

M t M t M teffges

n n= • • + • + + •112

1 22

22...e j

Ms

Nm s Nmeff = • + • + • =14

6 67 016 0 6 1 67 4 3 016 1 62 2 2 2, , , , , , ,e j

J mv

nkg

ms kgmX

Mot= • •

FHG

IKJ

= • •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=−91 2 91 2 1001 64

28640 003

2

1

2

2, ,,

min,

MM

iNm

NmHA= = =22

45 5,

Ms

Nm s Nmeff = • + • + • + • + • + • =14

5 5 017 2 7 0 55 0 5 017 0 6 017 2 2 0 55 4 5 017 1 962 2 2 2 2 2 2, , , , , , , , , , , , ,e j



3. Das externe Trägheitsmoment ist:

Da Jext/JMot nicht größer als 10 werden soll, muß ein Motor > 0,00016 kgm2 gewählt werden.

D.h. nach Kriterium Nr.3 muß der Motor größer als ein DY 56L (JMot = 0,00012 kgm2) werden.

Der gewählte Motor ist damit ein DY 71SB:

nN = 3000 min-1

M0 = 2,5 NmJMot = 0,000546 kgm2 (mit Bremse)I0 = 1,85 A

Überprüfung des ausgewählten Motors:

Da dies zu einem früheren Zeitpunkt nicht möglich war, muß nun die Anlaufbelastung inkl. desMotor-Massenträgheitsmoments nochmals überprüft werden.

Fahrantrieb:

Der 2,5 Nm-Motor ist dynamisch um den Faktor 3 bez. seines Stillstandmoments (M0 = 2,5 Nm)überlastbar. Damit ist der Motor zu klein.

Neuer Motor gewählt: DY 71MB

nN = 3000 min-1


Hubantrieb:

J mv

nkg

ms kgmX

Mot= • •

FHG

IKJ

= • •

F

H

GGG

I

K

JJJ

=−91 2 91 2 401 73

26430 0016

2

1

2

2, ,,

min,

MJ J n

tM

Mkgm

sNm Nm

H

M X M

Astat

H

=+ •F

HGIKJ •

•+

=+ •F

HGIKJ •

•+ =

−

1

9 55

0 000546 10 9

0 003 2864

9 55 0160 6 7 9

2 1

η,

,,

, min

, ,, ,

MJ J n

tM

Mkgm

sNm Nm

H

M X M

Astat

H

=+ •F

HGIKJ •

•+

=+ •F

HGIKJ •

•+ =

−

1

9 55

0 000546 10 9

0 0016 2643

9 55 0172 7 6 5

2 1

η,

,,

, min

, ,, ,



Der 2,5 Nm-Motor ist dynamisch um den Faktor 3 bez. seines Stillstandmoments (M0 = 2,5 Nm)überlastbar. Damit ist der Motor richtig dimensioniert.

Endgültig gewählter Motor: DY 71SB

nN = 3000 min-1


Ebenso muß nun mit den Motor-Massenträgheitsmomenten das effektive Drehmoment neu ermitteltwerden.

Da der Rechenvorgang hierfür bereits ausführlich demonstriert wurde, werden nur die Ergebnisseangegeben.

Fahrantrieb:

Gesamt-Beschleunigungsmoment: MH(Mot) = 8,1 Nm

Gesamt-Verzögerungsmoment: MV(Mot) = -5,8 Nm

Statisches Lastmoment: Mstat(Mot) = 0,6 Nm

Effektives Motormoment: Meff(Mot) = 2,0 Nm

Hubantrieb (aufwärts):



Statisches Lastmoment: Mstat(Mot) = 2,7 Nm

Hubantrieb (abwärts):



Statisches Lastmoment: Mstat(Mot) = -2,2 Nm

Effektives Motormoment: Meff(Mot) = 2,2 Nm



16.6 Auswahl der Antriebselektronik

Es stehen nun zwei Möglichkeiten zur Verfügung:

1. Modulare Technik, d.h. ein Versorgungsmodul speist 2 Achsmodule, die die Antriebe versorgen.

2. 2 Kompaktachsen (beinhalten Versorgungs- und Achsmodul) versorgen die beiden Antriebe.

Was die bessere und preisgünstigere Lösung ist, muß im Einzelfall entschieden werden. Hier wirdausschließlich aufgrund des besseren Anschauungseffekts die Lösung 1 gewählt. Die Projektierungeiner Kompaktachse kann ähnlich der Frequenzumrichter-Projektierung durchgeführt werden.

16.6.1 Auswahl der Achsmodule

Eckpunkte für die Auswahl der Achsmodule sind:

1. Der aufzubringende Spitzenstrom.Dieser liegt bei SEW Achsmodulen (MAS) bei 1,5 • Ausgangsnennstrom.

2. Der Motorstrom-Mittelwert.Dieser darf den Ausgangsnennstrom des jeweiligen Achsmoduls nicht überschreiten.

Die Ströme lassen sich direkt aus den schon errechneten Drehmomenten bestimmen.

Fahrachse:

Der gewählte Motor DFY 71MB ist mit einem Nennstrom von 2,7 A bei M0 = 3,7 Nm angegeben.

Das maximale Anlaufmoment ist mit 8,1 Nm errechnet und entspricht damit einem aufgenommenenStromwert von:

Im Gegensatz zur Motordimensionierung, wo der Effektivwert maßgebend ist, werden die Achsmo-dule nach Strom-Mittelwert dimensioniert.

gewähltes Achsmodul:

MAS 51A 005-503-00 mit I0 = 5 A und damit Imax = 7,5 A.

IM I

MNm A

NmAmax

max , ,,

,= • = • =0

0

81 2 73 7

5 9

MM t M t M t

t t t

MNm s Nm s Nm s

sNm

IM I

MNm A

NmA

n n

n

Mot

MotMot

=• + • + + •

+ + +

=• + • + •

=

= • = • =

1 1 2 2

1 2

0

0

81 016 0 6 1 67 5 8 0164

0 8

0 8 2 73 7

0 6

b g b g b g

b g b g b g

......

, , , , , ,,

, ,,

,



Hubachse:

Der gewählte Motor DFY 71SB ist mit einem Nennstrom von 1,85 A bei M0 = 2,5 Nm angegeben.

Das maximale Anlaufmoment ist mit 6,5 Nm errechnet und entspricht damit einem aufgenommenenStromwert von:

gewähltes Achsmodul:

MAS 51A 005-503-00 mit I0 = 5 A und damit Imax = 7,5 A.

16.6.2 Auswahl des Netzmoduls

Eckpunkte für die Auswahl der Netzmodule sind:

1. Der aufzubringende Spitzenstrom.Dieser liegt bei SEW Netzmodulen (z.B. MPB) bei 2,0 • Ausgangsnennstrom für 5 Sekunden.

2. Der Strom- Mittelwert.Dieser darf den Ausgangsnennstrom des jeweiligen Netzmoduls nicht überschreiten.

Die Ströme addieren sich aus den Ausgangsströmen der Achsmodule:

gewähltes Netzmodul:

MPB 51A 011-503-00 mit IN = 20 A.

Zudem ist eine Netzdrossel ND 020-013 vorzusehen.

16.6.3 Auswahl des Bremswiderstands

Der Bremswiderstand tritt erst dann in Aktion, wenn das Motordrehmoment negativ (generatorisch)wird. Betrachtet man den Abtriebsdrehmomentenverlauf, so sieht man, daß die Einschaltdauer (ED)bei ca. 20% liegt. Das max. generatorische Drehmoment tritt auf, wenn die Hubachse im Senkbetriebverzögert und gleichzeitig die Fahrachse bremst.

Die Bremsmomente müssen zunächst in Leistungen umgerechnet werden.

IM I

MNm A

NmA

MNm s Nm s Nm s Nm s Nm s Nm s

sNm

IM I

MNm A

NmA

Mot

MotMot

maxmax , ,

,,

, , , , , , , , , , , ,,

, ,,

,

= • = • =

=• + • + • + • + • + •

=

= • = • =

0

0

0

0

6 5 1 852 5

4 8

6 5 017 2 7 0 55 0 5 017 1 6 017 2 2 0 55 5 4 0174

1 3

1 3 1 852 5

1 0

b g b g b g b g b g b g

I I I A A A

I I I A A A

NM Mot Fahrachse Mot Hubachse

NM Mot Fahrachse Mot Hubachse

max max_ max_ , , ,

, , ,

b g b g b g

b g b g

= + = + =

= + = + =

5 9 4 8 10 7

0 6 1 0 1 6



Fahrantrieb:

Spitzenbremsleistung:

Bei konstanter Verzögerung entspricht die mittlere Bremsleistung der Hälfte der Spitzenbremslei-stung.

Damit ist PB_Fahr = 0,87 kW.

Hubantrieb:

Spitzenbremsleistung:

Damit ist PB_Hub = 0,75 kW.

Die gesamte Bremsleistung beträgt:

PB_ges = PB_Fahr + PB_Hub = 1,62 kW

Für ein Netzmodul Typ MPB 51A 011-503-00 sieht die Auswahltabelle für Bremswiderständefolgendermaßen aus:

Netzmodul Typ MPB 51A 011-503-00 (PBRCMAX = 14 kW)

Bremswiderstand Typ BW047-004 BW 147 BW 247 BW 347 BW 547

Belastbarkeit bei100% ED

50% ED25% ED12% ED6% ED

0,4 kW0,7 kW1,2 kW2,4 kW3,8 kW

1,2 kW2.2 kW3,8 kW7,2 kW11,4 kW

2,0 kW3,8 kW6,4 kW12,0 kW

19,0 kW*

4,0 kW7,6 kW12,8 kW24,0 kW*38,0 kW*

6,0 kW10,8 kW18,0 kW*30,0 kW*45,0 kW*

Widerstandswert 47 Ω ± 10%

Auslösestrom von F16 1,5 A 3,8 A 5,3 A 8,2 10 A

Bauart Drahtwiderstand Stahlgitter-widerstand

Elektr. Anschlüsse Keramikklemmen 2,5 mm2 GewindebolzenM8

Masse 1,9 kg 4,3 kg 6,1 kg 13,2 kg 12 kg

* Generatorische Leistungsbegrenzung

In der Zeile 25% ED findet man mit 3,8 kW-Effektivleistung den hier passenden Bremswiderstand:BW 147

PM n Nm

kWB FahrV Mot Mot^

__ , min

,=•

= • =−

95505 8 2864

95501 74

1

PM n Nm

kWB HubV Mot Mot^

__ , min

,=•

= • =−

95505 4 2643

95501 50

1



16.6.4 Auswahl des Kühlkörpers

Bei der Zusammenstellung der Kühlkörper muß darauf geachtet werden, daß die Module nicht überden Stoß zweier Kühlkörper montiert werden dürfen. Daher müssen zunächst die “Teileinheiten” (TE)der einzelnen Module ermittelt werden.

1. Fahrachse MAS 51A-005-503-00 2 TE2. Hubachse MAS 51A-005-503-00 2 TE3. Netzmodul MPB 51A-011-503-00 3 TE

7 TE

Damit wird der DKE 07 mit 7 Teileinheiten gewählt.

Der thermische Widerstand ist lt. Tabelle 0,4 K/W. Dies ist die zusätzliche Erwärmung zur Umge-bungstemperatur in Kelvin pro installierter Verlustleistung in Watt. Hierbei sind 80°C zulässig.

Thermische Überprüfung:

1. Verlustleistung des Schaltnetzteils:

2. Verlustleistung des Leistungsteils im Achsmodul der Fahrachse:

3. Verlustleistung des Leistungsteils im Achsmodul der Hubachse:

4. Verlustleistung des Leistungsteils im Netzmodul:

Gesamtleistung auf dem Kühlkörper:

Damit ist eine thermische Sicherheit bis zu einertheoretischen Umgebungstemperatur von80°C - 24,2 K = 55,8°C gewährleistet.

Leistungsteil

Leistungsteil

Leistungsteil

Leistungsteil

Schaltnetzteil

Signal-elektronik

Signal-elektronik

Signal-elektronik

Netzmodul

Achsmodul Achse 1

Achsmodul Achse 2

Achsmodul Achse 3

1/2 PVSNT 1/2 PVSNT

PVL0

PVS1

PVS2

PVS3

PVL1

PVL2

PVL3

F[#]00224ADEBild 69: Zusammensetzung der Verlustleistung

P W W Anzahl der Achsen W W WV SNTb g = + • = + • =12 13 12 13 2 38

PWA

IWA

A WVLMA Fahr effb g = • = • =14 14 1 5 21,

PWA

A WVLMA Hubb g = • =14 11 15 4, ,

PWA

IWA

A WVLMP eff ges= • = • + =2 2 1 5 11 5 2b g b g, , ,

P P P P W

P R WKW

K

KK V SNT VLMP VLMA

KK KK

= + + =

= • = • =

∑12

60 6

60 6 0 4 24 2

b g ,

, , ,∆ϑ



17 Tabellenanhang

Bremsdaten und Massenträgheitsmoment der Zusatzschwungmasse »Z«

(schwere Lüfterausführung)

Typ MBmax Bremsmomentreduzierungen WN t1 t2 PB JZ

Motor Bremse Nm Nm kJ•103t2II 2)

mst2I 1)

ms ms W 10-4kgm2

DT 63.. B B 03 3,2 2,4 1,6 0,8 80 253)

- 3 30 32 7,2

DT 71/80.. BMG BMG05 5 4 2,5 1,6 1,2 120 303)

20 5 35 32 20/30

DT 80.. BMG BMG 1 10 7,5 6 120 503)

20 8 40 36 30

DT 90/100.. BMG BMG 2 20 16 10 6,6 5 260 703)

30 12 80 40 100/135

DT 100.. BMG BMG 4 40 30 24 260 1303)

35 15 80 50 135

DV 112 M.. BMG BMG 8 55 45 37 30 19 12,6 9,5 600 30 12 60 57 180

DV 132 S.. BMG BMG 8 75 55 45 37 30 19 12,6 9,5 600 35 10 50 57 216

DV 132 M.. BM BM15 100 75 50 35 25 1000 40 14 70 95 500

DV 132 ML.. BMDV 160 M..BM BM15 150 125 100 75 50 35 25 1000 50 12 50 95 500

DV 160 L.. BM BM30 200 150 125 100 75 50 1500 55 18 90 95

5)DV 180.. BM30 BM30 300 250 200 150 125 100 75 50 1500 60 16 80 95

DV 200/225.. BM31 BM31 300 250 200 150 125 100 75 50 1500 60 16 80 95

DV 180.. BM32 BM324) 300 250 200 150 100 1500 55 18 90 95

DV 200/225.. BM62 BM624) 600 500 400 300 250 200 150 100 1500 60 16 80 95

Die Ansprech- bzw. Einfallzeiten für die Bremsen sind Richtwerte bezogen auf maximales Bremsmoment.Bremsdaten für Gleichstrombremsmoteren BM finden Sie im Katalog “Gleichstromgetriebemotoren” von SEW.1) t2I ist die Bremseinfallzeit für wechselstromseitige Abschaltung.2) t2II ist die Bremseinfallzeit für gleich- und wechselstromseitige Abschaltung.3) Ansprechzeit t1: Wert in oberer Zeile für Betrieb mit BG, alle anderen Werte für Betrieb mit BGE (BGH/BSG).4) Zweischeibenbremse5) Für Motoren Größe 160 L - 225 M ist kein schwerer Lüfter lieferbar.

Wirkungsgrade von Übertragungselementen

Drahtseil je vollständige Umschlingung der Seilrolle (gleit- oder wälzgelagert) 0,91 - 0,95

Keilriemen je vollständige Umschlingung der Keilriemenscheibe (normale Riemenspannung) 0,88 - 0,93

Kunststoffbänder je vollständige Umschlingung /Rollen wälzgelagert (normale Bandspannung) 0,81 - 0,85

Gummibänder je vollständige Umschlingung /Rollen wälzgelagert (normale Bandspannung) 0,81 - 0,85

Ketten je vollständige Umschlingung/Räder wälzgelagert (abhängig von Kettengröße) 0,90 - 0,96

Getriebe Ölschmierung, 3stufig (Stirnräder), abhängig von Getriebequalitätbei Schnecken- und Kegelstirnradgetrieben: nach Angabe der Hersteller 0,94 - 0,97

Tabellenanhang 17


Lagerreibwerte

Wälzlager: µL = 0,005Gleitlager: µL = 0,08 - 1

Beiwerte für Spurkranz- und Seitenreibung

wälzgelagerte Räder: c = 0,003gleitgelagerte Räder: c = 0,005seitliche Führungsrollen: c = 0,002

Reibwerte verschiedener Werkstoffpaarungen

Stahl auf Stahl

Haftreibung (trocken)Gleitreibung (trocken)Haftreibung (gefettet)Gleitreibung (gefettet)

µ0 = 0,12 - 0,60µ = 0,08 - 0,50µ0 = 0,12 - 0,35µ = 0,04 - 0,25

Holz auf Stahl Haftreibung (trocken)Gleitreibung (trocken)

µ0 = 0,45 - 0,75µ = 0,30 - 0,60

Holz auf Holz Haftreibung (trocken)Gleitreibung (trocken)

µ0 = 0,40 - 0,75µ = 0,30 - 0,50

Kunststoffriemen auf Stahl Haftreibung (trocken)Gleitreibung (trocken)

µ0 = 0,25 - 0,45µ = 0,25

Stahl auf Kunststoff Gleitreibung (trocken)Gleitreibung (gefettet)

µ0 = 0,20 - 0,45µ = 0,18 - 0,35

Rollreibung (Hebelarm der Rollreibung)

Stahl auf Stahl: f ø 0,5 mmHolz auf Stahl (Rollenbahn): f ø 1,2 mmKunststoff auf Stahl: f ø 2 mmHartgummi auf Stahl: f ø 7 mmKunststoff auf Beton: f ø 5 mmHartgummi auf Beton: f ø 10-20 mmmittelhartes Gummi auf Beton: f ø 15-35 mm

Zuschlagsfaktoren für Querkraftermittlung

Übertragungselemente Bemerkungen Zuschlagsfaktor

Zahnräder $ 17 Zähne, 17 Zähne

fZ = 1,0fZ = 1,15

Kettenräder$ 20 Zähne, 20 Zähne, 13 Zähne

fZ = 1,0fZ = 1,25fZ = 1,4

Schmalkeilriemenscheiben Einfluß der Vorspannkraft fZ = 1,75

Flachriemenscheiben Einfluß der Vorspannkraft fZ = 2,5

Die vorhandene Querkraftbelastung der Getriebe errechnet sich dann nach der Beziehung:

FQ = äquivalente Querkraftbelastung in N d0 = mittlerer Durchmesser des aufgesetzten Antriebselementes in mmM = Drehmoment in Nm fZ = Zuschlagsfaktor

FM

dfQ Z= • •2000

0

Tabellenanhang17


Ankerdrosseln für Gleichstrommotoren

Typ InduktivitätmH

StrombelastbarkeitADC

Typ InduktivitätmH

StrombelastbarkeitADC

AD 031 170 3 AD 143 110 14

AD 050 50 5 AD 161 12 16

AD 051 100 5 AD 241 25 24

AD 081 60 8 AD 242 37 24

AD 082 95 8 AD 243 50 24

AD 141 45 14 AD 281 6 28

AD 142 65 14 AD 351 22 35

Schutzarten nach EN 60034 Teil 5 und EN 60529

IP 5 4

Kennzeichen für Schutzart (International Protection)

1. Kennziffer für Berührungsschutz bzw. Fremdkörperschutz

2. Kennziffer für Wasserschutz

IP 1. Kennziffer 2. Kennziffer

= Berührungsschutz bzw. Fremdkörperschutz = Wasserschutz

0 kein Berührungsschutz kein Schutz kein Wasserschutz

1 Schutz gegen zufälligesgroßflächiges Berühren

Schutz gegen große festeFremdkörper

Schutz gegen Tropfwasser (senkrechtfallende Wassertropfen)

2 Schutz gegen Berühren mit denFingern

Schutz gegen mittelgroßefeste Fremdkörper

Schutz gegen schräg fallendeWassertropfen (bis 15° zur Senkrechten)

3Schutz gegen Berühren mitWerkzeugen

Schutz gegen kleinekornförmige festeFremdkörper

Schutz gegen Sprühwasser (bis 60° zurSenkrechten, Regenschutz)

4 Schutz gegen Schwallwasser(Spritzwasser aus allen Richtungen)

5Schutz gegen Berühren mitHilfsmitteln aller Art(vollständiger Berührungsschutz)

Schutz gegenStaubablagerung im Inneren

Schutz gegen Strahlwasser aus allenRichtungen

6 Vollkommener Staubschutz(staubdicht)

Schutz gegen vorübergehendes Überfluten(z.B. Schiffsdeck)

7 - - Schutz gegen kurzes Eintauchen

8 - - Schutz gegen Druckwasser

Literaturhinweise

DIN/VDE 0113 Bestimmungen für die elektrische Ausrüstung von Bearbeitungs- undVerarbeitungsmaschinen mit Nennspannung bis 1000 V.

EN 60034 Bestimmungen für umlaufende elektrische Maschinen.

Dubbel Handbuch für den Maschinenbau, Band I und II.

SEW Handbuch der Antriebstechnik.

SEW Werksangaben.

Tabellenanhang 17


18 Zeichenlegende

Zeichenlegende zur Formelsammlung und zu den Rechenbeispielen.

a Beschleunigung m/s2

aA Anlaufbeschleunigung m/s2

aB Bremsverzögerung m/s2

aU Umschaltverzögerung m/s2

c Zuschlag für Nebenreibung, bzw. Seitenreibungsbeiwert -d Lagerzapfendurchmesser des Rades mmd0 Ritzel- oder Kettenraddurchmesser für Getriebeabtriebswelle mmD Laufraddurchmesser bzw. Trommel- oder Kettenraddurchmesser mmDT Tischdurchmesser mmf Hebelarm der Rollreibung mmfB1/2 Betriebsfaktor (1 = langsam, 2 = schnell) -F Kraft NFF Fahrwiderstand NFQ1/2 Querkraft (1 = langsam, 2 = schnell) NFW Windlast (Winddruck [N/m2] • Kraftangriffsfläche [m2]) NfZ Zuschlagsfaktor für Querkraftberechnung -g Erdbeschleunigung: 9,81 (Konstante) m/s2

i Getriebeuntersetzungsverhältnis -iV Vorgelegeuntersetzungsverhältnis -JM Motormassenträgheitsmoment kgm2

JT Massenträgheitsmoment eines Drehtisches kgm2

JW Massenträgheitsmoment eines Werkstückes kgm2

JX Massenträgheitsmoment der Last, auf die Motorachse reduziert kgm2

J0 reduziertes Massenträgheitsmoment der Eigenmasse kgm2

JL reduziertes Massenträgheitsmoment der Gesamtmasse kgm2

JZ Zusatzmassenträgheitsmoment (schwere Lüfter) kgm2

KJ -KM Rechenfaktoren zur Bestimmung der Schalthäufigkeit Z -KP -LA Ankerkreisinduktivität mHLB Bremsenstandzeit (bis zur Nachstellreife) hLD Drosselinduktivität mHm Masse kgm0 Eigenmasse = Masse ohne zusätzliche Nutzlast kgmL Masse der Last kgmG Masse des Gegengewichts kgMa1/2 Abtriebsdrehmoment (1 = langsam, 2 = schnell) NmMA Abtriebsdrehmoment NmMB Bremsmoment NmMH Hochlaufmoment NmMK Kippmoment NmMN Nennmoment NmMU Umschaltmoment von schneller auf langsame Drehzahl NmM0 Drehmoment mit der Eigenmasse, bezogen auf die Motorwelle NmML Drehmoment mit der Gesamtmasse, bezogen auf die Motorwelle NmMX Drehmoment bezogen auf die Motorwelle Nm

Zeichenlegende18


η Wirkungsgrad -ηL Wirkungsgrad der Last bzw. Arbeitsmaschine -ηG Wirkungsgrad des Getriebes -ηG‘ rückwärtiger Wirkungsgrad des Getriebes -∆n Drehzahländerung bei Hub- oder Senkvorgang min-1

nM(1/2) Motordrehzahl (1 = langsam, 2 = schnell) min-1

nS(1/2) synchrone Drehzahl (1 = langsam, 2 = schnell) min-1

na Getriebeabtriebsdrehzahl min-1

P’ Leistung bei einseitiger Katzstellung kWPN Nennleistung kWPstat benötigte statische Motorleistung kWPdyn_Mot benötigte dynamische Motorleistung mit der Eigenmasse kWPdyn_Last benötigte dynamische Motorleistung zur Beschleunigung der Last kWPges benötigte Gesamt-Motorleistung kWr Radius mmR Regelbereich (Drehzahlstellbereich) -s Weg mmsA Anlaufweg mmsB Bremsweg mmsFahr Fahrweg mmsZ Taktweg mmsU Umschaltweg mmt1 Ansprechzeit der Bremse st2 Einfallzeit der Bremse stA Anlaufzeit stB Bremszeit st Fahrzeit bzw. Hubzeit stZ Taktzeit stU Umschaltzeit von schneller auf langsame Drehzahl sµ Reibwert für Haftreibung oder Gleitreibung -µL Lagerreibwert -v Geschwindigkeit m/svmax maximale Geschwindigkeit m/svT Umfangsgeschwindigkeit Drehtisch m/sWB Bremsarbeit JWN Bremsarbeit bis zur Nachstellreife JXA Anzahl der vorgesehenen Antriebe -XB Anhaltegenauigkeit (Bremsweg-Toleranz) mmz Anzahl der Rollen -z1, z2 Zähnezahl (z1 vom Ritzel, z2 vom Rad) -Z0 zulässige Leerschalthäufigkeit c/hZerf erforderliche Schalthäufigkeit c/hZzul errechnete zulässige Schalthäufigkeit c/h

Zeichenlegende 18


Documents

T Praxis der Antriebstechnik Band 1antriebstechnik.fh-stralsund.de/1024x768/Dokumentenframe/Kompe… · Das komplette Programm auf einen Blick 2 Getriebe- und Bremsmotoren Stirnradgetriebe