Motorreductoren steeds meer multi-inzetbaar

Fabrikanten zetten in op verhoging van betrouwbaarheid, gebruiksgemak en prestaties

Motorreductoren maken het mogelijk snelheid en koppel van een motor aan te passen en over te brengen op een machine of systeem. Innovatieve ontwerpstrategieën op basis van toepassingscriteria als inbouwmaat, belasting, snelheid en levensduur hebben gaandeweg geleid tot specifieke uitvoeringen variërend van worm- en kegelwielreductoren tot planetaire en cycloïde reductoren. De kwaliteit ervan heeft onder invloed van (aangescherpte) wet- en regelgeving en technologische vooruitgang de laatste jaren aanzienlijke verbeteringen ondergaan, and there's more to come.

Bedrijfsfactor

Een motorreductor is in staat snelheid en koppel/draaimoment van een motor aan te passen en over te brengen op een machine of systeem: het koppel wordt groter terwijl de uitgaande snelheid (het toerental) vermindert. Voor een betrouwbare aandrijving is de bedrijfs- of servicefactor (fB) essentieel. Bij een lichte, gelijkmatige belasting is een reductor met een lagere bedrijfsfactor toereikend, een zware en/of ongelijkmatige (piek)belasting vereist een reductor met een hoge bedrijfsfactor.

Motorreductoren worden toegepast daar waar door zware lasten een constante snelheid en een hoog koppel is vereist (bij transportbanden), waar gecontroleerde beweging en kracht essentieel zijn (bij liften, kranen), waar precisie en snelheid nauwkeurig beheersbaar moeten zijn (in automatisering- en productiemachines) en daar waar lage snelheden en een hoog koppel zijn vereist (in mestverspreiders en maaiers).

Werking

De belangrijkste componenten van een motorreductor zijn de elektromotor en de tandwielreductor.

De elektromotor – een AC- of DC-motor, afhankelijk van de gewenste toepassing – zorgt ervoor dat de aanwezige elektrische energie wordt omgezet in een mechanische beweging door gebruik te maken van elektromagnetisme, zie kader, waarna de mechanische beweging kan worden overgedragen op uiteenlopende machines en/of apparaten.

De keuze van de juiste reductor is afhankelijk van toepassingsvereisten als inbouwmaat, belasting, snelheid en beoogde levensduur

De tandwielreductor is een systeem van tandwielen waarvan de werking vergelijkbaar is met die van een versnellingsbak. De toerentalreductie komt tot stand doordat een klein aandrijftandwiel op de motoras een groter tandwiel in de reductor aandrijft. Het verschil in grootte en het aantal tanden van de tandwielen verlagen het toerental terwijl tegelijkertijd het koppel wordt verhoogd.

Werking elektromotor
De spoel van een elektromotor bevindt zich in een extern magnetisch veld dat is opgewekt door permanente of elektromagneten in de stator. De relatieve beweging van de spoel op de rotor ten opzichte van het magnetisch veld leidt tot een elektrische stroom in de rotorspoel. Daaromheen ontstaat dan een tweede magnetisch veld.

De interactie tussen de stroom in de rotorspoel en het extern magnetisch veld van de stator genereert een kracht op de rotorspoel, de zogeheten Lorentzkracht. Onder invloed van die kracht begint de op de rotor gemonteerde spoel te draaien evenals de as waaraan de rotor is gekoppeld. Deze draagt deze mechanische beweging over op verschillende machines en apparaten, op voorwaarde dat in de rotor stroom blijft vloeien: in een AC-motor gebeurt dit automatisch via de wisselstroom – er blijft voortdurend een snelheidsverschil tussen het magnetisch veld van de stator en de rotor. Bij een DC-motor zorgt een commutator ervoor dat er steeds een stroom van een externe bron wordt geïnjecteerd in de rotor die ervoor zorgt dat de stroomrichting doorlopend verandert.

Typen reductoren

De keuze van de juiste reductor is afhankelijk van toepassingsvereisten als inbouwmaat, belasting, snelheid en beoogde levensduur. De bekendste typen zijn:

• De wormwielreductor, bestaande uit een worm (schroef) en een wormwiel (tandwiel). Zodra de worm draait, beweegt het wormwiel haaks ten opzichte van de wormas resulterend in een hoge koppeloverdracht. Door de wrijvingsverliezen – bij wormwielen met een hoge ratio kunnen deze intern oplopen tot wel 60% – is de wormoverbrenging minder efficiënt ten aanzien van daaropvolgende overbrengingen. Wormwielreductoren worden gebruikt daar waar hoge reductieverhoudingen gewenst zijn en de ruimte beperkt is, bijvoorbeeld in hefwerktuigen.
• De helicoïdale reductor, uitgerust met spiraalvormige tandwielen die zijn voorzien van schuine, geleidelijk in elkaar grijpende tanden waardoor ze soepel en stil hun werk doen. Ze beschikken over een hoge belastingcapaciteit en zijn geschikt voor continue processen, vandaar hun gebruik voor industriële transportbanden en ventilatiesystemen.
• De coaxiale reductor vertoont qua krachtoverdracht en snelheidsreductie overeenkomsten met de helicoïdale reductor. De term coaxiaal verwijst naar de uitlijning van de assen (de ingangs- en uitgangsassen bevinden zich op één lijn). Dit kan worden gecombineerd met verschillende soorten tandwielen, waaronder helicoïdale.
• De kegelwieloverbrenging met kegelvormige tandwielen die onder een hoek van 90° zijn gemonteerd waardoor de uitgaande as haaks staat op de ingaande as. Vanwege hun efficiëntie, vorm en geschiktheid voor hoge snelheden vinden ze onder meer toepassing in machines waarin montage van de aandrijving in lijn met de aan te drijven as geen optie is.
• De planeetwiel- of planetaire reductor waarbij een centraal tandwiel (het zonnewiel) is omringd door een aantal tandwielen (de planeetwielen) die tesamen draaien in een ringvormig tandwiel (het ringwiel). De hoge koppeloverdracht, de efficiënte kracht- en snelheidsreductie en de gelijkmatige belastingverdeling maken de compacte constructie geschikt voor precisie-aandrijvingen, robotica en hoogbelaste aandrijvingen zoals persen.
• De cycloïde reductor die onder gebruikmaking van een cycloïdale schijf en rollagers een rotatiebeweging omzet in een lagere snelheid met een hoger koppel. Deze uitvoering is schokbestendig en kent een geringe wrijving. Ze worden onder meer toegepast in industriële robots en systemen met een hoge schokbelasting.

Kwalitatieve verbetering

Dankzij verscherpte wet- en regelgeving (zie kader), innovatieve ontwerpstrategieën en technologische vooruitgang is de kwaliteit van motorreductoren de laatste jaren sterk verbeterd, and there's more to come.

Efficiëntie

De tandwielontwerpen worden steeds geavanceerder, wat heeft geresulteerd in een lager energieverbruik onder meer doordat er sprake is van een vermindering van energieverlies door wrijving en warmte.

Toekomstverwachting

• steeds geavanceerdere tandprofielen en precisieproductie (minder speling en een efficiëntere krachttransmissie);
• optimalisatie van de elektronica en verdergaande automatisering dankzij geavanceerdere besturingssystemen en variabele frequentie-aandrijvingen (VFD's);
• verbeterde thermische beheersing dankzij een efficiëntere warmteafvoer, thermische isolatie en/of koelsystemen.

Energieverbruik

De opkomst van efficiëntieklasse IE4- en op den duur IE5-motoren is qua energieverbruik een stap in de goede richting. Klasse IE4 (Super Premium Efficiency) is sinds 1 juli 2023 verplicht in het vermogenbereik van 75 kW tot 200 kW. Klasse IE5 (Ultra Premium Efficiency) is vooralsnog niet verplicht. Er zijn overigens al producenten die hoogkwalitatieve motoren aanbieden die het voorgeschreven rendement van de IE5-klasse overschrijden, aangeduid als IE5+.

Toekomstverwachting

• toepassing van hoogefficiënte motoren, bijvoorbeeld permanentmagneetmotoren, synchrone reluctantie- en geoptimaliseerde inductiemotoren;
• gebruik van geavanceerde wikkelingen en kernmaterialen;
• inzet van laag-viscose, thermisch stabiele smeermiddelen en van condition-based smeersystemen.

Wet- en regelgeving
De laatste tien jaar hebben zich verschillende belangrijke wijzigingen voorgedaan ten aanzien van de regelgeving rondom motorreductoren, voornamelijk gericht op het verbeteren van energie-efficiëntie en het verminderen van de milieu-impact. De belangrijkste zijn:

IE-normen
De meest significante verandering is de introductie en daarna het aanscherpen van de International Efficiency (IE)-normen voor motoren. Deze normen gelden in toenemende mate ook voor motorreductoren omwille van de synergie tussen reductor en de aangebouwde of geïntegreerde motor.

Europese verordeningen
- Ecodesign Richtlijn waarin een minimum aan energieprestatienormen is vastgelegd onder meer voor motorreductoren; deze moeten nu gedurende de gehele levensduur aan hoge(re) energie-efficiëntie-eisen voldoen;
- Verordening (EU) 2019/1781 bepaalt dat motoren van 0,12 kW tot 1.000 kW moeten voldoen aan hogere energie-efficiëntienormen, wat ook geldt voor de motoren die in reductoren worden gebruikt.
- De REACH- (Registration, Evaluation, Authorisation, and Restriction of Chemicals) en RoHS- (Restriction of Hazardous Substances) richtlijnen vereisen dat motorreductoren vrij zijn van specifieke schadelijke stoffen (veiliger, minder milieu-impact). Deze richtlijnen gelden uitsluitend voor aangebouwde elektromotoren, klasse IE3 , IE4 en op den duur IE5.

De richtlijnen focussen hoofdzakelijk op de motorisatie en niet of nauwelijks op de reductor.

Materiaalgebruik

Recyclebare materialen en minder schadelijke (grond)stoffen hebben de milieu-impact van motorreductoren aanzienlijk verminderd. Verder bieden high-performance staal en geavanceerde legeringen de mogelijkheid reductoren lichter te maken. Coatings verharden het oppervlak en verminderen de wrijving wat de levensduur ten goede komt (minder slijtage).

Toekomstverwachting

• toenemend gebruik van lichtere, sterkere materialen als composietmaterialen (bijvoorbeeld glasvezelversterkte polymeren) en/of hoogwaardige legeringen (bijvoorbeeld aluminium-titaniumlegeringen);
• toepassing van 3D-printing zodat componenten met geoptimaliseerde geometrieën – niet produceerbaar via traditionele productiemethoden – realiteit (kunnen) worden.

Alle ontwikkelingen zijn gericht op het verhogen van de efficiëntie, de betrouwbaarheid, de prestaties en het gebruiksgemak

Miniaturisatie

Door geavanceerde productietechnieken kunnen de afmetingen van de motorreductoren worden gereduceerd zonder dat dit ten koste gaat van functionaliteit en/of prestaties. De nieuwe(re) typen zijn daardoor krachtiger (hoger koppel) zonder onnodig ruimtebeslag (kleinere behuizing) wat ze integreerbaar maakt in kleinere/lichtere machines en systemen.

Toekomstverwachting

• het gebruik van LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung) waarmee de productie van microtandwielen en microstructuren voor zeer kleine motorreductoren mogelijk wordt;
• geavanceerde simulatie- en ontwerptools die een nauwkeuriger ontwerp van de reductorcomponenten alsook optimalisatie voor kleine(re) formaten mogelijk maken.

Integratie 'slimme' functies

Moderne motorreductoren kunnen worden uitgerust met sensoren die middels Variable Frequency Drives (VFD's) of Variabele Speed Drives (VSD's) zijn verbonden met Internet of Things (IoT)-systemen (connectiviteit), waardoor operators realtime kunnen zien hoe deze functioneren, predictief onderhoud kunnen inplannen en mede daardoor storingen en machine-uitval kunnen voorkomen. Bovendien is de nieuwe generatie dankzij precisie-motorcontrole over snelheid en koppel beter integreerbaar in geautomatiseerde systemen.

Toekomstverwachting

• gebruik van AI en machine learning voor zelflerende systemen, en de mogelijkheid van adaptieve besturing onder veranderende omstandigheden;
• geavanceerde veiligheidsmonitoring via geïntegreerde veiligheidssensoren (automatische noodstops);
• cyberbeveiliging die de motorreductoren beschermt tegen ongeoorloofde toegang en cyberaanvallen.

Alle hierboven genoemde ontwikkelingen zijn gericht op het verhogen van de efficiëntie, de betrouwbaarheid, de prestaties en het gebruiksgemak.

Met medewerking van Dertec, JIE-Euronorm, NORD Drivesystems en SEW Eurodrive