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Foto: Bucher
Der mechanische Linearantrieb ist zwar effizient und genau, muss aber starr mit einem Elektromotor verbunden sein und ist kräftemäßig begrenzt.

Antriebs- und Steuerungstechnik

Dezentrale hydraulisch-elektrische Linearachse

Bucher Hydraulics beweist mit neuen Systemlösungen auf Basis der AX-Technologie, wie das in der Antriebstechnik und vor allem in der Linearachse auch hydraulisch funktioniert.

Die Energieeffizienzstrategie der deutschen Bundesregierung verlangt in Zukunft hocheffiziente dezentrale Antriebe, die vernetzt in Gesamtsystemen arbeiten – ins Besondere im Hinblick auf die hydraulische Linearachse.  Dies setzt neue Systemansätze und Subsysteme voraus. So lassen sich die Drosselverluste an den Steuer-/Regelventilen völlig vermeiden, wenn jeder einzelne Hydraulikzylinder von einem eigenen E-Motor und Pumpe angetrieben wird. Damit ist die Ursache für den geringen Wirkungsgrad der traditionellen Hydraulik eliminiert.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber der starren Anordnung von E-Motor, Getriebe und Rollspindel eines elektromechanischen Linearantriebs: Die Komponenten des hydraulischen Linearantriebs lassen sich flexibel in Maschinen und Anlagen anordnen. Damit sind die kompakten Dimensionen eines Hydraulikzylinders voll nutzbar. E-Motor und Pumpe lassen sich an einem passenden Einbauort in der Nähe montieren. Darüber hinaus sind viele weitere Features der klassischen Hydraulik wie Überlastschutz, Wärmeabfuhr, Dämpfung oder Nothaltfunktionen leicht integrierbar.

Kritischer Part solcher Anwendungen ist oftmals die Pumpe, weil die Zuverlässigkeit nicht in allen Betriebspunkten optimal ist. Das gilt vor allem bei hohen Kräften und geringen Geschwindigkeiten oder beim Reversieren. Die konventionellen Hydraulikpumpen sind vor 50 Jahren nicht für diesen Einsatzzweck entwickelt worden, werden aber dennoch mit bestimmten Einschränkungen hierfür benutzt. Daher erzeugen konventionelle Hydraulikpumpen die höchste Verlustleistung im Subsystem Linearantrieb.

Hocheffiziente dezentrale hydraulische Antriebe in der Linearachse

Bucher Hydraulics hat unter Einsatz der neuartigen AX-Pumpen hocheffiziente, dezentrale Linearantriebe namens Helax (hydraulic electric linear axis) speziell für diese Zwecke entwickelt. Sie funktionieren ohne Drosselventile mit drehzahlgeregelten Servomotoren und AX-Pumpen im geschlossenen Kreis. Ihre Performance ist absolut vergleichbar oder sogar besser als die mechanischer Linearantriebe. Die bekannten Vorteile des Hydraulikzylinders hinsichtlich Kraft, Geschwindigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit bleiben uneingeschränkt erhalten.

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Foto: Bucher
Ein Hochdruck-Hydraulikzylinder braucht wenig Platz und sorgt für hohe Kräfte in der Linearachse.

Optimal für variable Drehzahlen

 Die AX-Pumpe ist für drehzahlvariable Anwendungen optimal einsetzbar: Mit 24 Kolben sind die Pulsationen sehr niedrig und es kann problemlos mit höchster Zuverlässigkeit in allen vier Quadranten gefahren werden. Die Performance des elektrischen Antriebs ist vollständig nutzbar.

Die sonst zu beachtende minimale Drehzahlgrenze konventioneller Pumpen ist bei den AX-Pumpen nicht mehr vorhanden. Mit dem hohen AX-Wirkungsgrad bis 94 Prozent ist die Verlustleistung auf dem gleichen Niveau wie bei E-Motoren und Getrieben. Schließlich überzeugen sie durch eine geringe Geräuschentwicklung.

Konventionelle Hydraulik besteht aus vielen Komponenten, die eingestellt und für die Anwendung optimiert werden müssen. Das erfordert spezielles Hydraulikwissen. Da es keine Ausbildung zum Hydrauliker gibt, sind Hydraulikkenntnisse weniger verbreitet als Kenntnisse der Elektrotechnik.

Eine Inbetriebnahme des hydraulischen Linearantriebs ist dank der On-Board-Elektronik, in Verbindung mit einer spezifischen Software, ohne besonderes Hydraulik-Know-how mit den Kenntnissen der elektrischen Antriebstechnik möglich. Die Vorgabe von Motion-Control-Signalen erfolgt z.B. mittels CAN-Bus, die Software setzt die Signale in die gewünschte Bewegung um. Der Anwender muss sich nicht im Detail mit den Eigenschaften der Hydraulik beschäftigen. Er kann sich ganz auf die Funktion seiner Anwendung konzentrieren. Der hydraulische Linearantrieb lässt sich also wie jeder E-Antrieb ins System integrieren.

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Foto: Bucher
Ein Hochdruck-Hydraulikzylinder braucht wenig Platz und sorgt für hohe Kräfte in der Linearachse.

Hohe Positioniergenauigkeit und Kraft

Der Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems aus Umrichter, Servomotor, AX-Pumpe und Zylinder erreicht bis zu 82 %. Bei der Rückgewinnung potenzieller Energie aus Senk- und Bremsvorgängen ist sogar ein Wirkungsgrad von bis zu 84 % möglich.

Versuche zeigen außerdem eine sehr hohe Positionier-genauigkeit auch bei hoher Kraft. Um die hohe Leistungsfähigkeit des Systems zu beweisen, entwickelten die Hydraulikexperten von Bucher Hydraulics die Regelung eines inversen Pendels mit einem Gewicht von 1,2 t. Das Subsystem wird im Dauerbetrieb ohne Kühler betrieben.

Vernetzung leicht gemacht

Der elektrische Servo-Motor des hydraulischen Linearantriebs ist am Gleichstromnetz angeschlossen. Das ermöglicht eine Energievernetzung; rückgespeiste Energie eines anderen Antriebs ist sofort und direkt nutzbar. Sie lässt sich aber natürlich auch in Energiespeichern wie Batterien zwischenspeichern. Die Energiespeicher können kurzzeitig Spitzenleistung zur Verfügung stellen, ohne die Strom-Einspeisung mit hohen und teuren Stromspitzen zu belasten.

Das System lässt sich im Hinblick auf Industrie-4.0-Konzepte im Rahmen der Digitalisierung und Vernetzung mit wenigen Sensoren und den ohnehin vorhandenen Daten aus dem Antriebsregler erfassen. Diese Daten ermöglichen ein effizienzsteigerndes Energiemanagement, ein Condition-Monitoring und nicht zuletzt eine vorausschauende Wartung. Damit erfüllt es weit mehr als die aktuellen Anforderungen an eine hohe Energieeffizienz.

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