Kundenspezifischer und zuverlässiger Schrittmotoren für Klappenanwendungen

Miniaturmotoren werden für verschiedene Zwecke genutzt, z. B. die Steuerung von Klappen in HLK-Anlagen. Klappen sind ein einfacher Mechanismus zur Regulierung des Luftstroms in einem Schacht. Manuelle Klappen werden über einen Griff außen am Schacht gedreht, während automatische Klappen den Luftstrom kontinuierlich regeln und dabei von elektrischen oder pneumatischen Motoren angetrieben werden, die wiederum von einem Thermostat oder Gebäudeautomationssystemen gesteuert werden. Beim Entwurf eines extern angebrachten elektrischen Klappenantriebs müssen einige wesentliche Elemente bezüglich des Miniaturmotordesigns beachtet werden.

Elektrische Drehantriebe für Klappen werden in drei Typen unterteilt:

1.	Federrückführung. Mithilfe einer Feder kann die Klappe in die gewünschte Position rücküberführt werden (geschlossen/offen).
2.	Rückführung ohne Feder. Bei Stromverlust wird die bestehende Position beibehalten.
3.	Elektronische Ausfallsicherung. Ein Superkondensator gibt gespeicherte Energie an den Motor ab und der Aktuator wird bei Stromverlust geöffnet oder geschlossen.(Abbildung 1)

Klappenantriebe können weiter differenziert werden als Modelle mit zwei Positionen oder modulierende Modelle, die für präzisere Steuerung sorgen. Wenn die Klappe saisonbedingt betrieben wird (zwei- oder dreimal im Jahr) ist eine manuelle Steuerung mit zwei Positionen die richtige Wahl. Falls ein häufigerer Betrieb erforderlich ist (beispielsweise täglich), sind Sie hingegen mit einer automatischen, elektrischen Klappe mit elektrischem Motor besser bedient.

Bevor entschieden wird, welcher Miniaturantrieb am besten für einen elektrischen Aktuator geeignet ist, prüfen wir zuerst, ob sich der Motor kundenspezifisch an Ihre Bedürfnisse anpassen lässt. Dabei wird Folgendes in Betracht gezogen:

•	Wie viel Drehmoment/Kraft muss der Motor/Linearantrieb aufbringen, um die Klappe mit der erforderlichen Steuergenauigkeit in Position zu halten?
•	Kann der Motor Temperaturschwankungen standhalten?
•	Können die Motorbestandteile so modifiziert werden, dass Sie HLK-Zyklen standhalten?
•	Arbeiten die Motoren nachweislich zuverlässig in einer HLK-Umgebung?
•	Unterstützt der Motor Encoder, sodass eine integrierte Rückmeldung der Klappenposition möglich ist?

 

ROTORKONSTRUKTION FÜR EXTREME TEMPERATUREN UND ZYKLISCHE BELASTUNG

Bei kundenspezifischen Motoren, die speziell für Klappenantriebe in HLK-Anwendungen gestaltet wurden, ist die Konstruktion des Rotors von entscheidender Bedeutung. Im Klappenantrieb startet und stoppt der Motor unter wechselnden thermischen Bedingungen, wodurch zusätzliche thermomechanische Belastungen auf den Rotor und andere interne Komponenten ausgeübt werden. Die mechanischen Eigenschaften des bei der Rotorkonstruktion verwendeten nichtlinearen Materials sind temperaturabhängig. Somit hängt die Zuverlässigkeit des Rotors bei Hochtemperatur- oder Umgebungstemperaturbedingungen vom Material und seinen thermischen Eigenschaften, insbesondere vom Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), ab.(Abbildung 2)

Die Wahl zwischen auf linearen und nichtlinearen Materialien basierenden Baugruppen ist nicht einfach, denn die Leistung nichtlinearer Materialien wie Haftvermittlern hängt stark von der Chemie und den Verarbeitungsparametern des Materials ab. Und die Wahl spezifischer Keramikmagnetsorten verkompliziert die Situation noch weiter.(Abbildung 3)

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Designüberprüfung, die sicherstellen soll, dass in der Praxis die gewünschte Leistung erzielt wird. Das Design kann gemäß statischen Umgebungsbedingungen (wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit) und spezifischen Belastungsbedingungen validiert werden. Das in der Konstruktion gewählte Materialkonzept berücksichtigt diese Faktoren bereits. Die Leistung unter dynamischen Bedingungen (schnelle Änderungen von Temperatur/Luftfeuchtigkeit oder plötzliche Belastungsänderungen oder die Kombination mehrerer Parameter) muss jedoch ebenfalls berücksichtigt werden, um die Motorleistung über Zeit zu bestimmen, was nur anhand von Simulationen oder analytischen Tests erreicht werden kann. Portescap validiert beispielsweise Rotorbaugruppen bei stark zunehmenden Temperaturen und unter Temperaturschockbedingungen in Umweltkammern und Öfen, um sicherzustellen, dass die Rotorbaugruppe den extremen Anforderungen der Anwendung gerecht wird. Wir bestimmen auch die mechanische Festigkeit des Rotors bei einer bestimmten Temperatur mit Axial- und Torsionskraftprüfungen. Schließlich kann durch beschleunigte Lebensdauertests auch die Lebensdauer des Motors in der Anwendung bei bestimmten Temperaturbedingungen zuverlässiger vorhergesagt werden. Diese Tests werden je nach den Anforderungen der Anwendung in belasteten und unbelasteten Zuständen durchgeführt.

DESIGNVALIDIERUNG DURCH QUALIFIKATIONSPRÜFUNGEN

Abbildung 4: Beschleunigter Wärmekreislauf des Schrittmotors

BÜRSTENLOSE DC-MOTOREN

Schrittmotoren stellen eine gute technologische Wahl für den Einsatz in elektrisch betriebenen Klappen dar, da sie eine kostengünstigere Option als bürstenlose Gleichstrommotoren darstellen und deren besseren Möglichkeiten zur Drehzahlregelung in einer typischen Klappenanwendung nicht benötigt wird.

SCHLUSSFOLGERUNG

Die Wahl des optimal geeigneten Schrittmotors ist entscheidend für die effiziente Regelung des Luftstroms beim Klappenbetrieb. Deshalb werden Schrittmotoren in verschiedenen Konfigurationen verwendet. Oftmals erfüllen wir derartige Anforderungen mithilfe von kundenspezifischen Schrittmotoren, die eine hervorragende Wahl für den HLK-Aktuatormarkt darstellen, da sie ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis bieten.

Die Zuverlässigkeit der konstruierten Motoren ist ebenfalls sehr wichtig, da häufige Ausfälle in der Praxis die Kosten und das Haftungsrisiko erhöhen können. Ein besseres Verständnis der Arbeitspunkte Ihrer HLK-Anwendung führt dazu, dass die kritischen Anforderungen an Design und Validierungsphase erfüllt werden können.

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