Toepassingsgebied roterende aandrijvingen steeds breder

Innovaties op het gebied van materiaalgebruik, afdichtingen en lagersystemen verbeteren kwaliteit

Het toepassingsgebied van roterende aandrijvingen is breed, en de kwaliteit is de laatste jaren sterk verbeterd door allerlei innovaties op het gebied van materiaalgebruik, afdichtingen en lagersystemen. Er wacht de fabrikanten echter nog een dubbelslag ten aanzien van (verdere) digitalisering en duurzaamheid.

Rotatiekracht

Roterende aandrijvingen zijn in gebruik om een bepaald koppel (rotatiekracht) over te brengen van de krachtbron op het aan te drijven onderdeel. Dat kunnen precisie-instrumenten of robots zijn, maar bijvoorbeeld ook automatische draaiplatforms of draaibare kranen. Nauwkeurige controle over die rotatie is met name van belang daar waar een exacte hoek- of snelheidsregeling wordt gevraagd. Het toepassingsgebied varieert van aandrijving van transportbanden, pompen en gereedschapsmachines tot de rotatie van gewrichten en actuatoren in robotarmen en mobiele robots.

Werkingsprincipe

Genereren draaimoment

Roterende aandrijvingen gebruiken doorgaans elektrische, pneumatische of hydraulische energie, zie hierna. De motor genereert een draaimoment dat via de uitgaande of uitvoeras wordt overgedragen op het roterende onderdeel. Het systeem kan de snelheid en het koppel aanpassen, bijvoorbeeld met behulp van tandwielen die de rotatiesnelheid verlagen en tegelijkertijd het koppel verhogen.

Besturingseenheid

Deze reguleert de rotatiesnelheid en -richting, en soms ook de precieze hoek of positie van de uitvoeras. Dankzij aansturing van de voedingsstroom richting de motor staan parameters als acceleratie, vertraging en koppel onder controle. Aanpassing hiervan en van de nauwkeurigheid bij onder meer robotarmen en transportbanden gebeurt via feedbackmechanismen.

Typen draaiaandrijvingen

Er zijn uiteenlopende typen roterende aandrijvingen. De keuze is afhankelijk van parameters als snelheid, koppel en precisie alsook van de omgevingscondities en de onderhoudsvereisten.

Met een elektromotor

Gelijkstroommotoren (DC)

• borstelmotoren, dit zijn traditionele DC-motoren waarbij een commutator zorgt voor doorlopende wijziging van de stroomrichting in de wikkelingen, zodat rotatie mogelijk blijft. Ze zijn eenvoudig en goedkoop, maar vanwege slijtage van de borstels ook onderhoudsgevoelig;
• borstelloze of BLDC-motoren, deze gebruiken voor het regelen van de stroomrichting geen mechanische schakels maar elektronische commutatie, wat ze zowel efficiënter als duurzamer maakt dan borstelmotoren. BLDC-motoren worden vaak gebruikt in ventilatoren, pompen, en drones.

Stappen- of steppermotor

Hierbij verloopt de rotatie stapsgewijs via een serie pulsen: het aantal pulsen bepaalt de hoekverplaatsing, de pulsvolgorde de draairichting. Doordat elke stap correspondeert met een vaste rotatiehoek van de motoras is precieze controle van de positie mogelijk zonder feedbackmechanisme. Dit type motoren wordt veelvuldig toegepast in onder meer (3D-)printers en CNC-machines.

Wisselstroommotoren (AC)

• synchrone motoren draaien met een constante snelheid, synchroon met de voedingsspanningsfrequentie. Aandrijving vindt plaats via:
  - elektromagneten, via een bekrachtigde rotor met veldwikkelingen;
  - een permanente magneet; dit type motor wordt vaak aangeduid als permanente magneet synchrone motoren (PMSM).
  Ze worden toegepast daar waar een constante snelheid een vereiste is, bijvoorbeeld in klokken of precisie-instrumenten.
• asynchrone of inductiemotoren waarbij de rotatie tot stand komt via het magnetische veld tussen de rotor (de draaiende component) en de stator (de stationaire component). Ze zijn eenvoudig, robuust en betrouwbaar, en worden dan ook veelvuldig toegepast binnen de industrie.
• synchroon reluctantiemotoren hebben geen permanente of elektromagneten op de rotor, maar werken volgens het principe van magnetische reluctantie: het verschil in magnetische weerstand tussen de rotor en het statorveld. Ze zijn energiezuinig, en worden daarom veel toegepast in industriële aandrijfsystemen.

Permanent magneet AC-motoren en synchroon reluctantiemotoren zijn doorgaans het efficiëntst omdat het magneetveld in de rotor niet stroomgeïnduceerd is. Wel is er een frequentieregelaar nodig, terwijl een asynchrone motor ook direct via het net kan worden aangesloten.

Met een hydraulische motor

Dit type motor zet vloeistofdruk om in een roterende beweging. De vloeistof wordt via een leidingsysteem naar de motor geleid waar de druk de rotatie tot stand brengt; een systeem van kleppen en regelaars zorgt daarbij voor een nauwkeurige controle van snelheid, kracht en richting. Deze motoren zijn robuust en bestand tegen schokken en trillingen, en mede daardoor geschikt voor industriële, bouw- en graafmachines.

Roterende aandrijvingen gebruiken doorgaans elektrische, pneumatische of hydraulische energie als input

Met een pneumatische motor

Hierbij wordt samengeperste lucht gebruikt die onder hoge druk de motorruimte binnenkomt. De rotorbladen of schoepen gaan draaien dankzij de door de expansie ontstane druk. Deze motoren kennen een eenvoudig ontwerp en beschikken over een hoog koppeloutput bij lage snelheden. Dat maakt ze geschikt voor toepassingen waarbij snelle respons en lichtgewicht apparatuur vereist zijn, en daar waar geen elektrische vonken mogen vrijkomen.

Met een servomotor

Deze motor is in gebruik daar waar precisiebesturing van positie, snelheid en soms versnelling nodig is; positie en beweging worden daarbij continu gecorrigeerd middels het feedbackmechanisme. Dit kan op detailniveau vaststellen hoe ver en in welke richting de beweging dient plaats te vinden, noodzakelijk wanneer een hoge mate van controle en nauwkeurigheid vereist is. Voorbeelden daarvan zijn precisie-instrumenten, robots en automatische besturingssystemen.

Technologische ontwikkelingen

De kwaliteit van roterende aandrijvingen is de laatste jaren door allerlei innovaties sterk verbeterd. Hieronder volgt daarvan een aantal voorbeelden.

Afdichtingen

• contactloze afdichtingen:
  - labyrintafdichtingen met een serie nauwe doorgangen en kamers wat de passage van vloeistoffen of gassen ernstig belemmert;
  - magnetische afdichtingen waarbij magneten/magnetische materialen zorgen voor een consistente, hermetische afdichting;
• dynamische afdichtingen:
  - pneumatische afdichtingen waarbij de afdichtingskracht wordt geregeld via lucht- of gasdruk. Deze zijn bestand tegen variabele druk- en bewegingsomstandigheden;
  - waveseals, afdichtingen met een golvend profiel. Dankzij de contactpunten kan de afdichting zich aanpassen aan onregelmatigheden en oppervlakvariaties.

Materiaalgebruik

• Soft Magnetic Composites (SMC) maken de productie mogelijk van zachte, goed bewerkbare, lichtgewicht magnetische kernen. Deze beperken het verlies van magnetische energie en verbeteren de efficiëntie;
• composieten en vezelversterkte materialen verbeteren de prestaties dankzij hun sterkte, stijfheid, lage gewicht, corrosiebestendigheid en goede dempingseigenschappen;
• geavanceerde coatings als DLC (diamond-like carbon) en keramische coatings verbeteren de slijtvastheid, verminderen de wrijving en beschermen tegen corrosie.

De focus zal de komende jaren komen te liggen op prestatieverbetering en verdere integratie van IoT-functionaliteiten

Lagersystemen

• optimalisatie van de lagerontwerpen dankzij geavanceerde computertechnieken als
  - eindige-elementenanalyse (FEA), een simulatiemethodiek die de effecten inventariseert van onder meer belasting, temperatuur en trillingen;
  - topologie-optimalisatie, een ontwerpmethodiek waarmee de optimale vorm en de materiaalverdeling van een component/structuur kan worden bepaald binnen een gegeven ontwerpgebied;
• nieuwe lagertypen, waaronder
  - (actieve) magnetische lagers waarbij magnetisme wordt gebruikt om de roterende as in een zwevende toestand te houden;
  - luchtlagers waarbij een dunne luchtfilm contact tussen de bewegende delen voorkomt;
  - smeringsvrije polymeer- en composietlagers, gemaakt van geavanceerde kunststoffen en composieten als PEEK (polyetheretherketon) en PFE (polytetrafluorethyleen).

Dubbelslag

Er is momenteel een stijgende vraag naar compacte, energie-efficiënte en nauwkeurige aandrijvingen die voldoen aan de eisen van Industry 4.0 en duurzame productie.

Digitalisering en connectiviteit

Industry 4.0 vereist dat machines en systemen slimmer, connectiever en efficiënter worden, en dat kan dankzij slimme sensoren. Deze zorgen voor realtime monitoring van belangrijke parameters, en maken bovendien condition-based maintenance mogelijk.

Dankzij Industrial Internet of Things (IIoT)-technologieën is contact met andere systemen mogelijk. Gegevens worden verzameld, geanalyseerd én gedeeld wat leidt tot meer inzicht en een betere besluitvorming. Er is echter ook een keerzijde: teneinde de data-integriteit te (kunnen blijven) waarborgen zijn robuuste cybersecurity-maatregelen − versleuteling, authenticatieprotocollen, regelmatige beveiligingsupdates − tegenwoordig even vanzelfsprekend als noodzakelijk.

Duurzaamheid

Het verkleinen van de ecologische voetafdruk vergt minimalisering van de milieueffecten en optimalisatie van de hulpbronefficiëntie, en slimme sensoren kunnen daaraan bijdragen (zie hiervoor). Het terugdringen van het energieverbruik kan door het gebruik van hoogrendementsmotoren en/of frequentieregelaars (Variable Frequency Drives, VFD's); deze maken een dynamische regeling van snelheid en koppel mogelijk. Aangewezen zijn verder nog het gebruik van materialen met een geringe(re) milieu-impact, waaronder milieuvriendelijke smeermiddelen en afdichtingsmaterialen, en het (blijven) ontwikkelen en implementeren van technieken/methoden die de hoeveelheid afval terugdringen.

Toekomst

De focus zal de komende jaren komen te liggen op prestatieverbetering – veelal door finetuning van eerdere innovaties − en verdere integratie van IoT-functionaliteiten. Twee ontwikkelingen dienen zich echter nu reeds aan.

Additieve fabricage (3D-printing) maakt de productie van complexe onderdelen met verbeterde materiaaleigenschappen mogelijk waardoor ontwerpen kunnen worden geoptimaliseerd, verspilling wordt voorkomen en materialen kunnen worden gebruikt die daarvoor te boek stonden als niet- of moeilijk verwerkbaar.

Nanomaterialen als grafeen en nanocomposieten zijn wat hun toepassing in roterende aandrijvingen betreft nog onderwerp van onderzoek. Ze maken lichtere en efficiëntere ontwerpen mogelijk en bieden voordelen ten aanzien van onder meer sterkte, slijtage- en vermoeiingsweerstand, thermische beheersing en corrosiebestendigheid.

Met medewerking van JIE-Euronorm en Rotero