C04: Thermo-energetische Motoroptimierung

Modellierung und Optimierung des Verlusthaushaltes elektrischer Antriebsmotoren und ihrer thermischen Kopplung mit Werkzeugmaschinen

Teilprojektleiter

Prof. Dr. Ralf Werner: TU Chemnitz, Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe

Moderne Werkzeugmaschinen sind mit einer Vielzahl elektrischer Antriebsmotoren ausgestattet. Dazu zählen der Hauptspindelantrieb, die Vorschubantriebe und in der Regel noch zahlreiche Hilfsantriebe wie z.B. für Ölpumpen, Kühlschmiermittelpumpen, Lüfter, Werkzeugwechsler und Zuführeinrichtungen. In jedem Antriebsmotor entstehen während des Betriebes Verluste, welche zu einer Erwärmung führen. Der Wärmeeintrag in die Konstruktionsteile der Werkzeugmaschinen beeinträchtigt jedoch die Präzision bei der Bearbeitung. Aus diesem Grunde ist es bis heute üblich, die Werkzeugmaschinen eingeschaltet im Leerlauf zu betreiben, bis der thermisch eingeschwungene Zustand erreicht ist. Erst danach wird mit der Bearbeitung begonnen.
Diese Vorgehensweise ist vor dem Hintergrund einer energieeffizienten Produktion nicht praktikabel. Es ist daher notwendig die Bearbeitungsprozesse unabhängig von der Temperierung der Werkzeugmaschine durchzuführen. Es sind daher Kenntnisse der Einflüsse der Wärmeeinträge auf die Bearbeitungsgenauigkeit notwendig, damit diese ggf. kompensiert oder korrigiert werden können.
Aufgrund dessen zielten die Forschungsarbeiten in der ersten Förderphase auf die Erstellung thermischer Modelle für wichtige im Werkzeugmaschinenbau verwendete Antriebsmotoren ab. Diese Modelle spiegeln das thermische Verhalten der Antriebe in Echtzeit wider, ohne dass die Verwendung zusätzlicher Temperaturfühler erforderlich ist. Dadurch kann der Wärmeeintrag der Antriebsmotoren in die Konstruktionsteile der Werkzeugmaschine ermittelt werden.
Während der aktuellen zweiten Förderphase werden die Antriebsmotoren hinsichtlich ihres Verlusthaushaltes und der thermischen Kopplung mit den mechanischen Komponenten der Werkzeugmaschine optimiert. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus der ersten Phase soll zunächst die Ansteuerung der Motoren mittels Frequenzumrichter auf einen verlustminimierten Betrieb hin angepasst werden. Weiterhin sollen der Motoraufbau, die Motorkühlung sowie die thermischen Schnittstellen zur Werkzeugmaschine entsprechend den Erfordernissen für eine effektive Korrektur bzw. Kompensation der thermo-elastischen Verformungen gestalten werden.