Digital Scout SPS 2022

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SPS 2022 ENERGY HARVESTING IN KLEINSERVOANTRIEBEN ENERGIEAUTARKES MOTORFEEDBACK EN MINIATURE Multiturnfeedback ohne Getriebe oder Batterie. Das Ganze platzsparend im Motor integriert, diese Herausforderung hat Wittenstein mit der Entwicklung eines energieautarken Motorfeedback- Systems abgeschlossen. Die Geräte eignen sich für industrietaugliche Kleinservomotoren. Die elektrische Energie kommt per Energy Harvesting. Motorfeedbacksysteme sollten idealerweise wahre Alleskönner sein: Miniaturisiert, energieautark, verschleißund wartungsfrei. Wittenstein Cyber Motor hat diese Anforderungen bei seinem Rückführsystem realisiert und setzt die Multiturnfunktion mit Hilfe eines elektromagnetischen Prinzips um: der Wieganddrahttechnologie. Diese gewinnt elektrische Energie (sozusagen) aus der Umgebungsenergie und ermöglicht, dass auch nach einem stromlosen Zustand sowohl die absolute Position der Rotorwelle innerhalb der letzten Umdrehung (Singleturn) als auch die Anzahl der geleisteten Umdrehungen (Multiturn) gezählt und gespeichert werden. Weiterhin stehen diese Informationen, etwa nach einem Not-Stopp oder einem manuellen Einrichtbetrieb, direkt nach dem Einschalten der Achse ohne Referenzfahrt sofort wieder zur Verfügung. In umfassenden Tests hat Wittenstein sowohl den grundsätzlichen Funktionsnachweis dieses Energy-Harvesting-Prinzips für Motorfeedbacksysteme erbracht als auch das selbst entwickelte Multiturngebersystem in seiner Einbausituation verifiziert und validiert. EINE UMDREHUNG OFT ZU WENIG Bei der Cyber Dynamic Line handelt es sich um industrietaugliche Kleinservomotoren in kompakter, platzsparender und massenträgheitsoptimierter Bauweise für einen Leistungsbereich kleiner 500 Watt. Mit den Aktuatoren lassen sich Drehmomente bis 22 Nm und Kräfte bis 2 kN realisieren. Gleichzeitig sind Drehzahlen bis zu 12.000 U/min bzw. Geschwindigkeiten bis zu 1.000 mm/s möglich, was laut dem Hersteller die hohe Drehmomentdichte und Dynamik der Motoren belegt. Carolin Ank, Leiterin Produktmanagement, Wittenstein Cyber Motor, Igersheim Die vier Größen der Baureihe mit Außendurchmessern von 17 mm, 22 mm, 32 mm und 40 mm sind in einem stabilen, reinigungsfreundlichen Edelstahlgehäuse oder einer speziellen Inox- Variante verfügbar. Die Baugröße 40 lässt sich darüber hinaus in einem Hygienic Design für die prozessnahe Integration in der Nahrungsmittelherstellung ausführen. Die Kleinservomotoren ermöglichen sowohl rotative als auch lineare Antriebslösungen mit integrierter Spindel. Für eine Vielzahl an Anwendungen dieser Kleinservomotoren reicht ein Absolutwertgeber mi einem Messbereich von einer Umdrehung nicht aus, beispielsweise dann, wenn ein Spindelantrieb einen Messbereich über mehrere Spindelsteigungen benötigt, um Absolutpositionen über einen gesamten linearen Verfahrbereich zu erfassen. GETRIEBE ODER BATTERIE NACHTEILIG Zur Umsetzung der Multiturnfunktion bedarf es eines Speichers im Gebersystem, der auch im stromlosen Zustand eines Antriebes oder einer Achse aktiv bleibt. Bislang gab es hierfür grundsätzlich zwei Alternativen: ein mechanischer Speicher, der auf einem Getriebemechanismus basiert, oder eine batteriegepufferte Speichertechnologie. Beide Möglichkeiten sind jedoch mit Nachteilen hinsichtlich Verfügbarkeit, Wartung und Verschleiß behaftet und auch nicht für jede Betriebsart uneingeschränkt geeignet. Wird bei elektrisch gepufferten Encodern die Batterie als Energiespeicher mit im Drehgeber verbaut, so muss diese allen Betriebsbedingungen, denen der Drehgeber ausgesetzt ist, standhalten. Dies kann bei Motorfeedbacksystemen aufgrund der möglichen hohen Temperaturen im Motor kritisch sein. Muss ein Batteriewechsel erfolgen, entstehen in der Regel hohe Servicekosten. Wird die Batterie nicht im Geber, sondern am Regelgerät platziert, so sind weitere Leitungen für die Hilfsversorgung erforderlich. Neben dem zusätzlichen Aufwand können Leitungsverluste ent- 80 DIGITAL SCOUT Ihr Kompass zur SPS 2022

stehen, die die Batterielebensdauer reduzieren. Diese ist physikalisch ohnehin grundsätzlich limitiert, der Speicher mit den Zählinformationen steht somit nicht unbegrenzt zur Verfügung. Da eine Auswertung des Batteriezustandes durch handelsübliche Servoregler zudem häufig nicht im Servosystem implementiert ist, kommt ein Geberausfall aufgrund einer leeren Batterie ohne Vorwarnung. Eine solche Störung kann nur durch regelmäßige Wartungsintervalle innerhalb der zu erwartenden Batterielebensdauer vermieden werden. Auch bei getriebebasierten Encodern ist die Lebensdauer begrenzt, hier aufgrund des mechanischen Verschleißes der in der Getriebemechanik eingesetzten Gleitoder Miniaturwälzlager. Dieser tritt vor allem bei hohen Drehzahlen und schnellen Drehzahländerungen auf, in bestimmten Fällen auch in Verbindung mit Stossbelastungen durch gebremste Motoren im Start-Stopp-Betrieb. Auch Schocks und Vibrationen im Motor, denen das Gebersystem ausgesetzt ist, können dessen Lebensdauer beeinträchtigen. Zudem existieren konstruktive Grenzen hinsichtlich der Miniaturisierung des Encoders, wie sie für den Einsatz des Gebersystems in kompakten Kleinservomotoren erforderlich ist. Bei einem zu kleinen Abtriebszahnrad beispielsweise können sich ungünstige Übersetzungsverhältnisse ergeben, durch die die Umlaufgeschwindigkeit für die erste Getriebestufe zu hoch werden kann. Zudem ist aufgrund der Übersetzungsverhältnisse die Anzahl der Multiturnumdrehungen bei einem getriebebasierten Encoder mit einem dreistufigen Aufbau typischerweise auf 12 Bit begrenzt. Verbindungstechnik für die Industrie von morgen WIEGAND-DRAHT MACHT AUTARK Eine Lösung, welche die genannten Nachteile eliminiert, bilden Multiturnencoder, die sich das sogenannte Energy-Harvesting-Prinzip zunutze machen. Dieses Prinzip „erntet“ sozusagen die Energie für den Multiturnspeicher aus der Energie in der Umgebung. Auf dieser Basis konnte Wittenstein ein Motorfeedbacksystem entwickeln, das berührungslos, kabellos sowie verschleiß- und wartungsfrei arbeitet und weder eine Batterie noch ein Getriebe zur Pufferung benötigt. Basis der innovativen Speichertechnologie ist ein Effekt, der Anfang der siebziger Jahre des letzten Jahrhunderts von John R. Wiegand entdeckt und nach ihm benannt wurde. Die weltweit patentierte Wieganddrahttechnologie nutzt ein physikalisches Phänomen, das in homogenen, ferromagnetischen Drähten auftritt: ändert sich die Stärke eines von außen wirkendem Magnetfelds über ein bestimmtes Maß hinaus, erfolgt eine sprungförmige Ummagnetisierung des Drahtes. Diese schlagartige Richtungsumkehr der Magnetisierung induziert ihrerseits in einer um den Draht gewickelten Spule einen kräftigen Spannungsimpuls, der sensortechnisch ausgewertet werden kann. Ein Wieganddraht besteht aus einem Vicalloywerkstoff, einer 01 Der Effekt wurde von John R. Wiegand entdeckt und nutzt ein physikalisches Phänomen: Wiegandsensor in einem Drehgeber 02 Die Baureihe ist in einem stabilen, reinigungsfreundlichen Edelstahl- Gehäuse oder einer speziellen Inoxvariante verfügbar 01 Smart, vernetzt und digitalisiert – so sieht die Fertigung der Zukunft aus. HELUKABEL liefert mit einem umfassenden Sortiment an Kabeln, Leitungen und Zubehör die nötige Basis für die Industrieautomation – von der Antriebs- und Steuerungstechnik bis zum Industrial Ethernet. Vertrauen auch Sie dem Experten! 02 SPS Nürnberg 2022 BESUCHEN SIE UNS! Halle 2, Stand 230/231 www.helukabel.com