Effizienzsteigerung bei Werkzeugmaschinen

Eine Spezialität der CEDS Duradrive GmbH ist das Konzipieren und Bauen von Sondermotoren für die Hochleistungszerspanung.

BIRGIT GRABMÜLLER, STARNBERG 

 

Motorbausätze aus dem Katalog sind in der Anschaffung günstiger als individuelle Antriebslösungen, bieten jedoch wenig Flexibilität: Im Zweifelsfall muss die gesamte Maschine um den Bausatz herum konstruiert werden, nachträgliche Änderungen sind nur mit großem Aufwand umsetzbar. Wer sich vom Wettbewerb abheben möchte, muss zudem Maschinen mit besonders hoher Leistungsdichte anbieten; dafür sind Motoren jenseits des Standards erforderlich, die aus hochwertigen Materialien bestehen und den vorhandenen Bauraum optimal ausnutzen.


Genau darauf hat sich der Sondermotorhersteller CEDS Duradrive aus Salzbergen spezialisiert: „Für die Headtec GmbH beispielsweise sollten wir einen Servomotorbausatz konzipieren, der 20 Prozent mehr Drehmoment leistet als die am Markt verfügbaren Standardbausätze“, erklärt Ulrich Bühlmann, Geschäftsführer von CEDS Duradrive. Das Chemnitzer Maschinenbau-Unternehmen entwickelt und produziert leistungsstarke Schrupp- und Finish-Fräsköpfe, die bei Portalfräsmaschinen, Bohrwerken und Karusselldrehmaschinen zum Einsatz kommen; Ziel war es, die Bearbeitungszeiten zu senken, die Produktion höherer Stückzahlen zu ermöglichen und letztlich die Effizienz der gesamten Maschine zu steigern.

 

Anpassung an Bauraum und Temperaturen


Eine der Vorgaben lautete, den bisherigen Durchmesser des Motors einzuhalten; stattdessen ließ er sich axial verlängern, um die zusätzliche Leistung zu generieren. Außerdem durfte der Motor die Fräsköpfe nicht zusätzlich erwärmen, um Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung der hochpräzisen Werkstücke zu verhindern. Deshalb wurde der Blechschnitt speziell für den Motor entwickelt; die Wassermantelkühlung ermöglicht eine optimale Kühlung des Stators und somit des gesamten Bausatzes. Zudem werden die Stromwärmeverluste durch eine angepasste Nutgeometrie im Stator auf ein Minimum reduziert, was gleichzeitig eine sehr gute Entwärmung der Statorwicklung erzielt. Hinzu kommt, dass die Magnetläufer aus hochwertigem Neodym-Eisen- Bor mit besonders hoher Energiedichte bestehen; auch dies führt zu einer geringeren Rotorerwärmung in der Maschine. Nun verfügt der Motor über eine Bemessungsleistung von 126 kW; das Bemessungsdrehmoment liegt bei 1 000 Nm, die Bemessungsdrehzahl bei 1 200 U/min. Die maximale Drehzahl im S1-Betrieb (Dauerbetrieb bei konstanter Leistung und gleichbleibend hohem Wirkungsgrad) beträgt 3 500 U/min. Im S3-Betrieb 45 % (Aussetzbetrieb, bei dem das Anlaufen keinen Einfluss auf die Temperatur hat) erreicht das maximale Beschleunigungsmoment 1 220 Nm. Die Leistungsdichte des Motors beträgt 6,25 kW*min/m³. Bei Umrichtertaktfrequenzen über 4 kHz ist zudem ein Betrieb ohne Sinusfilter möglich, so dass zusätzliche Kosten eingespart wurden. Inzwischen hat Headtec den Motor erfolgreich auf dem Prüfstand getestet und freigegeben, im kommenden Jahr sollen die ersten Maschinen damit in Betrieb gehen.

 

Großer Feldschwächebereich ermöglicht hohe Drehzahlen


Mit einem anderen Anliegen wandte sich ein Hersteller spanender Werkzeugmaschinen an CEDS Duradrive. Um die vergleichsweisen hohen Drehzahlen zu erreichen, die bei der Endverarbeitung erforderlich sind, ist für gewöhnlich ein relativ großer Frequenzumrichter erforderlich. Allerdings stand in diesem Fall nicht genügend Bauraum zur Verfügung; deshalb entwickelte das Konstruktionsteam aus Salzbergen für den Hauptantrieb einen sehr kompakten Motor, der in einem großen Feldschwächebereich betrieben werden kann. Auf diese Weise lässt sich ein kleinerer Umrichter einsetzen, der zugleich deutlich kostengünstiger ist.


Im nächsten Schritt soll der Antrieb nun weiter optimiert werden: Bei gleich bleibendem Bauraum soll das Dauerdrehmoment deutlich gesteigert werden, um die Werkzeugmaschine leistungsfähiger zu machen; das CEDS Duradrive-Team arbeitet bereits an einem entsprechenden Nachfolgermodell.

 

Wartungsfreier Direktantrieb


Bei Sonderwerkzeugmaschinen, auf denen bis zu 50 cm dicke Werkstücke bearbeitet werden, war die Herausforderung nicht fehlender Bauraum, sondern der Durchmesser der verwendeten Hohlwelle. Der nämlich musste groß genug sein, um die Werkstücke durch den Motor hindurch führen zu können – und da auf dem Markt keine Standardlösungen mit den erforderlichen Abmessungen existieren, entwickelte CEDS Duradrive einen individuellen Torquemotor.


Für den Motor wurde ein Kupferläufer verwendet, der wegen seines besseren elektrischen Leitwerts energieeffizienter als Aluminium ist und zugleich ein höheres Dauerdrehmoment ermöglicht. Außerdem haben sich die Konstrukteure für einen Direktantrieb entschieden; somit müssen nicht laufend Verschleißteile ausgewechselt werden, das System ist deutlich wartungsfreundlicher als eine Motor-Getriebe-Kombination.

 

Vorsprung vor dem Wettbewerb


Ist die Entscheidung für einen Sondermotor gefallen, geht die Umsetzung schnell: Von der Auftragserteilung bis zur Auslieferung dauert es in der Regel vier bis zehn Wochen, abhängig von den verarbeiteten Werkstoffen. Die eingesetzten Sondermaterialien, die eine hohe Leistungsdichte ermöglichen, kommen häufig aus Fernost; die Entwicklung und Fertigung selbst kann innerhalb von einem Monat realisiert werden. Für das Chemnitzer Maschinenbau-Unternehmen Headtec hat sich die Investition jedenfalls gelohnt: „Durch den individuellen Servomotor von CEDS Duradrive konnten wir den vorhandenen Bauraum optimal nutzen und eine optimale Leistungsdichte generieren; das verschafft uns gegenüber anderen am Markt bestehenden Maschinen einen klaren Wettbewerbsvorteil“, betont Geschäftsführer Peter Teichmann.

www.ceds-duradrive.de
www.headtec.de

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Beitrag aus dima 3/2015:

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