Programm Praxisforum Elektrische Antriebstechnik 2023

Prof. Motzki arbeitet mit einem Team von Forschenden an „künstlichen Muskeln“ in Form von Formgedächtnisantrieben. Die „Muskelfasern“ dieser neuartigen Antriebstechnik bestehen aus Nickel-Titan-Drähten mit einem Durchmesser von 300 µm bis 400 µm, die auf Stromimpulse hin anspannen und entspannen können. In seinem Vortrag wird Prof. Motzki zeigen, wie diese Technik, zu „Muskelsträngen“ zusammengefasst, besonders kompakte Bauteile mit dennoch hoher Zugkraft ermöglicht – eine attraktive Kombination, denn der Platz für Antriebe im Auto, Flugzeug und in sonstigen Maschinen und Geräten ist knapp, immer mehr Technik muss heute auf kleinem Raum unterkommen. Auf kleinstem Raum entfalten die Formgedächtnisdrähte hohe Zugkraft und bieten die höchste Energiedichte aller bekannten Antriebsmechanismen. Diese „künstlichen Muskeln“ sollen nach den Vorstellungen der Forscher bald zur industriell einsetzbaren Katalogware werden, denn sie bieten Lösungen, wo Elektromotoren oder -magnete in technischen Bauteilen zu groß oder zu schwer sind.

In immer neuen Branchen finden elektrische Direktantriebe ihre Einsatzgebiete und bestechen mit ihrer Kompaktheit und Performance. In seinem Vortrag stellt Johannes Oswald Antriebe mit Drehmomenten im fünf- bis sechsstelligen Newtonmeter-Bereich vor. Er zeigt deren Aufbau und präsentiert mechanische, elektrische sowie maschinenspezifische Optimierungsansätze. Der Einsatz von Direktantrieben bietet systemspezifische Vorteile, aber auch Herausforderungen für Hersteller und Kunden. Johannes Oswald berichtet aus der täglichen Praxis eines hochinnovativen Familienunternehmens mit 200 Mitarbeitern, das kundenspezifische Direktantriebe in kleinen Stückzahlen für Industrie, Energie und Mobilität entwickelt und produziert. Anhand von aktuellen Einsatzbeispielen bringt er den Zuhörern diese kraftvolle Technik nahe und erläutert grundlegende Zusammenhänge. Nicht zuletzt kommen die technischen Vorteile und der oft enorme Energieeinspareffekt für die Kunden zur Sprache, die sich für diese innovative Technik öffnen.

Integriert in smarte Getriebe misst der cynapse Sensor Cube Temperatur und Beschleunigung in drei Achsen. Mittels IO-Link Schnittstelle können die Sensorwerte direkt in die Infrastruktur des Kunden eingebunden werden. Darüber hinaus besitzt der Sensor Cube eine integrierte Speicher- sowie Recheneinheit, was die Vorverarbeitung der Daten ermöglicht. 

Smart Services erweitern den Funktionsumfang des cynapse Features. Die Grundfunktionen umfassen Daten-Verarbeitung, Visualisierung und Analyse. Hierbei wird das Kern-Know-how, dass Wittenstein in über 40 Jahren Entwicklung von spielarmen Planentengetrieben aufgebaut hat, zusammen mit Betriebsdaten verwendet, um den Zustand des Getriebes in den Smart Services zu berechnen und anzuzeigen.

Entscheidend ist am Ende der Mehrwert, den der Anwender durch den Einsatz von cynapse und den Smart Services gewinnt. Durch Condition Monitoring und Predictive Maintenance werden Abweichungen frühzeitig erkannt und Ausfälle vermieden.

Es ist Stand der Technik, dass Permanentmagneten (Ferrite, Neodyme, ….) in der Fertigung von DC-Motoren verwendet werden. Dabei werden die Magnete entweder in Gehäuse ein- oder auf Wellen aufgeklebt. Die Entwicklung neuer Hochleistungsmotoren führt vermehrt zu Konstruktionen, in denen die Magnete in Taschen oder Slots unterschiedlich gefertigter Blechpakete eingeklebt werden müssen, was seitens der verwendeten Klebstoffe Variationen hinsichtlich Fließverhalten, Spaltfüllvermögen, Temperaturbeständigkeit und prozessgerechter Aushärtemechanismen und -zeiten notwendig macht. Der Vortrag zeigt anhand von Praxisbeispielen den aktuellen Stand und die Möglichkeiten aus Sicht des Klebstoffproduzenten.

MEMS-Beschleunigungssensoren sind unverzichtbar für die Erkennung von Fehlerzuständen und helfen, unerwartete Ausfälle oder andere kostspielige Ereignisse zu verhindern. Ein Ingenieur, der die Aufgabe hat, die richtigen Sensoren für zustandsorientierte Überwachungsanwendungen (CBM) auszuwählen und zu installieren, wird mit zahlreichen kritischen Parametern konfrontiert, die vor der Auswahl sorgfältig zu prüfen sind. Anwendung findet CBM unter anderem bei Kugellagern, Getrieben, Pumpen und vielem mehr. Je nach Anwendungsfall und je nachdem, wie sicherheitsrelevant oder kritisch das System ist, gibt es verschiedene Anforderungen an die Sensorik. Oft unterschätzte Parameter bei der Auswahl eines MEMS-Beschleunigungssensors sind der "g-Bereich", die Bandbreite und die Resonanzfrequenz des Sensors. Werden diese zu gering oder knapp gewählt, können ungewünschte Messeffekte auftreten. Um diese Effekte zu vermeiden, sollte vorab genau geklärt sein, bei welchen Frequenzen Beschleunigungen auftreten können und wie groß diese sind. In diesem Vortrag werden einige der wichtigsten Kriterien erörtert, die bei der Auswahl berücksichtigten werden sollten.

Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) zeichnen sich aus durch eine geringe Drehmomentwelligkeit. Das ermöglicht sanfte und leise Bewegungen, von denen zahlreiche Anwendungen profitieren – von hochwertigen Haushaltsgeräten über Elektrowerkzeuge bis hin zu Lösungen für die industrielle Automatisierung. Im Gegensatz zu anderen bürstenlosen Gleichstrommotoren benötigen diese Motoren allerdings eine sinusförmige Kommutierungswellenform, die komplizierter zu erzeugen ist. In der Vergangenheit waren dafür Mikrocontroller (MCU) mit entsprechender Leistungsfähigkeit und Software für die Sinuskommutierung erforderlich.

Eine Alternative sind moderne 3 Phasen Motorsteuerbausteine mit sinusförmiger Kommutierung: Diese pulsweitenmodulierten Chopper ermöglichen als programmierbare Bausteine eine sensorlose Steuerung dreiphasiger bürstenloser Motoren im Open- und Closed Loop Betrieb, sowie auch Standalone ohne MCU. Der Vortrag zeigt, wie damit skalierbare Motorsteuerungen für unterschiedliche bürstenlose Motoren realisiert werden können und wie Betriebsmodus, Drehzahl, Abbremsen und Drehrichtung über Register und die I2C-Schnittstelle des Bausteins eingestellt und ausgelesen werden können. Die Teilnehmenden erfahren, wie sie mit Sinuswellen-Pre-Drivern die Vorteile der PMSM-Motoren optimal ausnutzen können und dabei Zeit, Aufwand und Kosten für entsprechende MCUs und die Softwareentwicklung einsparen.

Typische Einsatzgebiete für Wechselrichter sind die Umwandlung von Solarstrom in Wechselstrom zur Netzeinspeisung oder der Wechselstrom-Antrieb von E-Motoren. Beide Einsatzgebiete verlangen eine strenge Überprüfung der Effizienz der Wechselrichter, einschlägige Normen wie die DIN IEC 60034-2-3 setzen hierfür harte Qualitätsansprüche an die zugrundeliegende elektrische Leistungsmessung mit Gesamtmessfehlern kleiner als 0.3%. Das ist nur zu erreichen, wenn entscheidende Details beachtet werden. So treten z.B. Verluste während der schnellen ON/OFF-PWM-Pulsfolgen in modernen Wechselrichtern hauptsächlich in den steilen Flanken beim Umschalten auf. Dies stellt enorme Anforderungen an die zu verwendenden Leistungs-Messgeräte (Power Analyzer): Die Amplitude der auftretenden Frequenzanteile nimmt mit der Frequenz ab. Will man breitbandig möglichst viele solcher Frequenzanteile erfassen, muss die Amplitudenauflösung ausreichen, um sowohl die niederfrequenten großen Signale als auch die hochfrequenten kleinen Signale gleichermaßen aufzulösen.

In seinem Vortrag erläutert Michael Tasler diese und viele andere Anforderungen, denen Leistungsmessgeräte für Wechselrichter genügen müssen, wie z.B. geringer Noise Floor und Verzerrung, zeigt den Einfluss des verwendeten Equipments wie Kabel, Stromzangen, Stromwandler und Spannungsversorgungen auf, skizziert mögliche Lösungswege und stellt geeignete Messsysteme vor.

Leistungswandler und Motorenantriebe sind an 75% der weltweiten elektrischen Anwendungen beteiligt. Leistungselektronik, im Wesentlichen bestehend aus aktiven, im kHz-Bereich arbeitenden Schaltern, ist der universelle Konverter für Elektrizität in moderner Elektronik. Deren hohe Schaltfrequenzen und zunehmende Leistungsdichte sind eine Herausforderung für die Simulation von Leistungselektronik in Antrieben. Um die Vielzahl der verschiedenen Komponenten und Effekte virtuell abzubilden, sind bisher unterschiedliche Softwarewerkzeuge sequenziell im Einsatz, die mitunter lange Berechnungszeiten erfordern. Um das System abzusichern, sind zudem viele Hardwaretests an Prototypen für das Feintuning erforderlich. In einer Fallstudie stellt der Referent dar, wie es gelang, bei ZT Innovations den Entwicklungsprozess von Motorsteuerungen signifikant zu verkürzen - durch eine ganzheitliche Systemsimulation mit Rechenzeiten unter einer Minute.

Im Zuge von digitalisierten Wertschöpfungskette wird es immer wichtiger, dass Informationen zu Produkten wie beispielsweise 3D-Zeichnungen, Manuals oder perspektivisch auch der CO2 Footprint digital und automatisch entlang der Wertschöpfungskette geteilt werden können. Hier nimmt die Asset Administration Shell eine immer zentralere Rolle ein, und es rückt für Unternehmen in greifbare Nähe, standardisierte digitale Zwillinge erzeugen und teilen zu können. In diesem Vortrag geht der Referent darauf ein, was hierfür nötig ist und was dies für Hersteller von Antriebstechnik oder anderen Komponenten bedeutet.