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Überlegungen zur Konstruktion von Servomotoren für gefährliche Umgebungen

10 Nov 2021
Kollmorgen Experten

Servomotoren und -antriebe sind bei einer Vielzahl von industriellen Anwendungen im Einsatz. Was ist jedoch zu beachten, wenn sie in extremen oder gefährlichen Umgebungen eingesetzt werden? In vielen Fällen arbeitet der Motor selbst in extremen Umgebungen einwandfrei, während die Antriebselektronik vor Gefahren geschützt ist. Dieser Beitrag befasst sich mit den Herausforderungen an die Leistung von Servomotoren und den Designüberlegungen, die erforderlich sind, wenn ein Motor in extremen Umgebungen eingesetzt wird.

Arten von Umgebungen:

Extremtemperaturen – Normalerweise sind Servomotoren auf industrielle Umgebungen mit einer Temperatur von 40 °C ausgelegt. Die Betriebstemperatur liegt in der Regel zwischen -10 °C bis 50 °C. Bei Anwendungen in der Nähe eines Ofens oder bei Arbeiten im Bohrloch können die Temperaturen wesentlich höher liegen. In Kühlhäusern, Kühllagern, Tieftemperaturanlagen oder am Südpol können hingegen Temperaturen von -40 °C und darunter herrschen.

Vakuum – Standardmotoren sind für den Betrieb innerhalb eines begrenzten Bereichs von atmosphärischem Druck ausgelegt. Bestimmte Bearbeitungsaufgaben oder kritische Baugruppen können für bestimmte Prozesse einen Betrieb im Vakuum erfordern, um die Auswirkungen des atmosphärischen Drucks zu begrenzen. Auch Anwendungen in großen Höhen und in der Raumfahrt unterliegen erhöhten Vakuumbedingungen.

Reinraum – In Reinräumen, die oft mit industriellen Vakuumanwendungen einhergehen, gelten strenge Beschränkungen hinsichtlich dr Verunreinigungen, die durch Ausgasungen in die Umgebung gelangen.

Wasser – Elektromotoren und Wasser sind häufig Gegenspieler. Bei Standardmotoren werden Staub- und Feuchtigkeitsbeständigkeit anhand einer IP-Klassifizierung bewertet, wobei die meisten Modelle die Schutzart IP54 aufweisen. Für feuchte Umgebungen ist die Schutzart IP65 oder höher erforderlich. In der lebensmittelverarbeitenden Industrie gibt es eine Vielzahl von Bedingungen, die einen Schutz gegen Spritzwasser und Korrosion erfordern. Dazu können auch das Reinigen mit Hochdruck oder ein zeitweiliges Untertauchen in die Reinigungsflüssigkeit gehören. Bei Anwendungen unter Wasser ist nicht nur ein Schutz gegen das Eindringen von Wasser erforderlich, sondern es muss auch ein höherer Druck berücksichtigt werden.

Hygiene – In hygienischen Umgebungen, die eine Untergruppe der Anforderungen in der Lebensmittelverarbeitung darstellen, sind nicht nur Reinigungsvorgänge mit hohem Druck und hohen Temperaturen erforderlich, sondern es muss auch die Verbreitung von Krankheitserregern auf Motoroberflächen verhindert werden. Motoren mit Aluminium- oder Stahlgehäuse funktionieren in den meisten Industrieumgebungen gut, sind aber aufgrund von Oxidation und unebenen Oberflächen, die die Ansiedlung von Krankheitserregern begünstigen können, für den Einsatz unter hygienischen Bedingungen nicht geeignet.

Explosionsgefährdung – Die Anwendung in Getreidesilos, Getreidemühlen, Textilfabriken oder anderen Anlagen, die brennbare Gase, Stäube, Dämpfe oder Fasern enthalten, erfordert Motorenkonstruktionen, die auf diese spezifischen Gefahren ausgelegt sind.

Strahlung – Motoranwendungen in unmittelbarer Nähe eines Kernreaktors oder in bestimmten Weltraumumgebungen, in denen hohe Strahlungswerte vorhanden sind, stellen eine Herausforderung an die Auswahl des Motormaterials dar, um einer Zersetzung im Laufe der Zeit entgegenzuwirken.

Starke Vibration und Stöße – Standard-Servomotoren sind für Vibrationen ausgelegt, die über jene in einer typischen Industrieumgebung hinausgehen. Bei hohen wiederkehrenden Vibrationspegeln oder plötzlichen Stoßvibrationen sind jedoch zusätzliche Überlegungen erforderlich.

Spezifische umgebungsabhängige Faktoren

Jede der beschriebenen Umgebungen weicht auf die eine oder andere Art von der typischen Industrieumgebung ab. Entwickler von Motoren müssen dies beachten. Kombinationen dieser Umweltbedingungen (zum Beispiel extrem kalte und extrem heiße Umgebungen) stellen eine noch größere Herausforderung dar.

Extremtemperaturen – Alle Motoren werden auf Grundlage des Temperaturanstiegs in den Motorspulen im Vergleich zu einer bestimmten Umgebungstemperatur bewertet.  Durch den Temperaturanstieg werden die Spulen auf eine maximal zulässige Temperatur gemäß dem Motorisolationssystem erhitzt, das dann einer bestimmten Klasse (F, H usw.) zugeordnet wird. Bei heißen Umgebungstemperaturen wird das Drehmoment des Motors durch seine spezifische Fähigkeit begrenzt, Verluste abzuleiten, um eine Überhitzung der Motorspulen zu verhindern. Eine Anpassungsmöglichkeit für diese Umgebung besteht darin, den Motor auf Grundlage des Unterschieds zwischen Nenn- und Umgebungstemperatur zu drosseln. Eine andere Überlegung ist die Verbesserung des Dämmsystems mit einer höheren Dämmstoffklasse, die einen höheren Temperaturanstieg zulässt. Weitere Methoden zum Umgang mit erhöhten Temperaturen sind die Kühlung des Motors durch einen Luftstrom über oder durch den Motor sowie die Kühlung durch Flüssigkeit, die durch ein spezielles Motorgehäuse eingespritzt wird. Kalte Umgebungen haben andere Auswirkungen auf den Motor, zum Beispiel auf die Funktionstüchtigkeit des Lagerfetts oder darauf, wie spröde das Motormaterial (zum Beispiel Bleidraht) wird. Durch eine sorgfältige Auswahl der Motorwerkstoffe und der Lagerschmierung können die Anforderungen bei kalten Temperaturen erfüllt werden.

Vakuum – In einem Vakuum gibt es nur begrenzte Konvektionsmöglichkeiten, um Motorwärme abzuführen, sodass, ähnlich wie bei hohen Temperaturen, entweder der Motor gedrosselt werden oder eine Methode für eine verbesserte Wärmeableitung vom Motor eingesetzt werden muss. Die Auswahl des Motormaterials und der Lager kann aufgrund der Ausgasungseigenschaften von Motormaterial und Lagerschmierung ebenfalls kritisch sein.

Reinraum – Die Auswahl des Materials ist entscheidend für Motoren, die in einer Reinraumumgebung eingesetzt werden.  Je nach Reinraumklasse müssen die beim Motorenbau verwendeten Materialien auf ihre Ausgasungseigenschaften bei den Temperaturen und dem atmosphärischen Druck, die im Reinraum herrschen, geprüft werden.  Materialien wie Bleidraht, Lagerfett und Wellendichtungen sind sehr anfällig für die Ausgasung von Molekularpartikeln, die eine Reinraumumgebung verunreinigen können.

Wasser – Abdichtungsmethoden verhindern das unerwünschte Eindringen von Wasser, das mit korrosionsgefährdeten Materialien im Inneren in Berührung kommen kann. Jedoch sind bloße Dichtungen nicht unbedingt ausreichend für ein robustes wasserdichtes Design. Auch bei einem Motor, der gut abgedichtet scheint, können inhärente Probleme auftreten, die mit dem Innendruck und den natürlichen Heiz- und Kühlzyklen des Motors zusammenhängen. Bei steigender Motortemperatur wirkt der entstehende Innendruck auf die Dichtungen. Wenn der Motor abkühlt, wird die Dichtung durch den verringerten Innendruck nach innen gezogen.  Diese ständige Belastung der Dichtung führt schließlich zu ihrem Versagen. Wenn der Motor bei steigender Temperatur atmen kann, erhöht sich der Innendruck nicht so stark, dass die Dichtungen verschleißen. Bei tauchbaren Elektromotoren werden eine interne, nicht korrosive Flüssigkeit und eine Druckblase verwendet, die Druckänderungen ausgleicht, wenn der Motor in größere Tiefen getaucht wird.

Hygiene – Ähnlich wie in feuchten Umgebungen ist auch bei Anwendungen im Hygienebereich die Abdichtung wichtig. Außerdem ist es zum Schutz vor der Ausbreitung von Krankheitserregern in Rissen und Spalten erforderlich, dass alle freiliegenden Oberflächen des Motors aus Edelstahl bestehen. Das Motorgehäuse sollte abgerundete Kanten haben, keine Fugen oder Verbindungselemente, in denen sich Flüssigkeit ansammeln kann, und alle flachen Bereiche sollten im Verhältnis zur Befestigungsposition geneigt sein. Dichtungsmaterialien und Kabel werden ebenfalls entsprechend den Anforderungen in der Lebensmittelindustrie spezifiziert. Die übliche Dichtungsanforderung ist IP69K (hoher Druck, hohe Temperatur mit ätzenden Chemikalien).

Explosionsgefährdung – Explosionsgefährdete Umgebungen erfordern Maßnahmen entsprechend den spezifischen Gasen, Dämpfen, Fasern oder Stäuben in der Umgebung, die eine Explosion verursachen können. Der Motor ist so konstruiert, dass im Falle eines Kurzschlusses, der zu einer Explosion im Inneren des Motors führt, das Motorgehäuse potenzielle Flammenwege an jedem Motoranschluss begrenzt und abschirmt. Die spezifischen Explosionsschutzklassen werden in den USA durch UL, in Europa durch ATEX und in China durch die CCC geregelt.  Die Einstufung gibt die spezifische Explosionsgefahr und den Schweregrad an.

Strahlung – Strahlungsumgebungen werden anhand der integrierten Gesamtdosis bewertet, das heißt der Strahlungsmenge über einen bestimmten Zeitraum.  Die Auswahl des Motorenmaterials hängt von diesem Wert ab. Herkömmliche Motormaterialien werden bei hoher Strahlung innerhalb kurzer Zeit abgebaut. Ein strahlungsgehärteter Motor, deren Materialien gegenüber der integrierten Gesamtdosis tolerant sind, kann jedoch über längere Zeiträume eingesetzt werden.

Vibration und Stöße – Die Richtung von Stößen und die Häufigkeit von Vibrationen bestimmen die besten Methoden zur Verringerung möglicher Motorschäden.  Eine gängige Lösung ist die richtige Wahl des Lagersystems und des Rückführungsgeräts. In einer Umgebung mit starken Erschütterungen ist ein robustes Rückführungsgerät wie ein Resolver eine bessere Wahl als ein zerbrechlicher Glasmaßstabs-Encoder. Je nach Stoß- und Vibrationsbelastung sind unterschiedliche Lagertypen oder -größen geeignet.

Auch wenn jede einzelne dieser Bedingungen für Motorkonstrukteure eine Herausforderung darstellt, haben sich zahlreiche Motoren in diesen Umgebungen bewährt. Ingenieure sollten erfolgreiche Anwendungen in ähnlichen Umgebungen analysieren, um die richtigen Motormaterialien und mechanische Konstruktion für die jeweiligen Gefahren oder extremen Umgebungen zu wählen.

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Dieses Blogthema wurde in Zusammenarbeit von Motion- und Automationsexperten bei Kollmorgen erstellt, darunter Ingenieure, Customer Service - Mitarbeiter und Applikateure. Gerne helfen wir auch bei Ihrem Projekt.

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