Auswahl von Schrittmotoren für automatisierte HLK-Klappen

Krishna Kumar, Manager für Produktdesign und -entwicklung, und Amol Ridhore, leiternder Ingenieur, Materialtechnologe, beide bei Portescap, untersuchen die Arbeitspunkte dieser kritischen HLK-Anwendung und wie sich diese auf die Spezifikation des Elektromotors für die Aufgabe auswirken.

Da Gebäudeautomationssysteme immer ausgefeilter werden, unterliegt die Leistung einzelner Komponenten einer immer genaueren Überprüfung. Es ist eine Grunderwartung, dass Komponenten ihre Funktionen unabhängig von der Betriebsumgebung leise, genau und zuverlässig erfüllen. Die gesicherte Langlebigkeit des Betriebs ist ebenfalls essentiell, da sich Komponenten häufig an schwer zugänglichen oder abgelegenen Orten befinden, an denen häufige Ausfälle zu erhöhten Kosten und Verpflichtungen führen würden.

Die Klappen, die zur Regulierung des Luftstroms innerhalb eines Kanals in HLK-Systemen in Gebäuden verwendet werden, sind ein Beispiel dafür. Während es sich hierbei um konzeptionell einfache Mechanismen handelt, können die Motoren zur Steuerung den schwierigsten mechanischen und thermischen Bedingungen ausgesetzt sein, mit anspruchsvollen zyklischen Belastungen und stark variierenden Temperaturen.

Während manuelle Klappen durch einen Griff an der Außenseite des Kanals gedreht werden, regulieren automatische Klappen den Luftstrom konstant, betätigt durch Motoren, die von einem Thermostat oder über das Gebäudeautomationssystem gesteuert werden. Wenn der Betrieb der Klappe saisonabhängig ist, vielleicht nur zwei- oder dreimal im Jahr erfolgt und zwischen zwei festen Positionen wechselt, kann die Automatisierung häufig wenig bewirken. Wenn die Klappe jedoch je nach den sich ändernden Bedingungen präzise durch verschiedene Positionen moduliert und häufig betätigt werden muss, ist eine automatisierte elektrische Klappe, die von Elektromotoren angetrieben wird, die bessere Wahl.

Schrittmotoren stellen eine gute technologische Wahl für den Einsatz in elektrisch betriebenen Klappen dar, da sie eine kostengünstigere Option als bürstenlose Gleichstrommotoren sind und die überlegene Fähigkeit der letzteren, die Drehzahl zu variieren, in einer typischen Klappenanwendung nicht benötigt wird. Das inhärente Design des Schrittmotors gewährleistet zudem eine Positionsgenauigkeit, ohne dass eine externe Positionsrückmeldung oder eine komplexe sensorlose Antriebselektronik erforderlich ist.

Bei der Auswahl des am besten geeigneten Schrittmotors für den Aktuatormechanismus in einer automatisierten Klappe gibt es eine Reihe wichtiger Überlegungen: 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 Motorkomponenten so angepasst werden, dass sie HLK-Zyklen standhalten? Arbeiten Motoren nachweislich zuverlässig in einer HLK-Umgebung? Liefert der Motor eine Rückmeldung, um eine integrierte Rückmeldung der Klappenposition zu erreichen?

Rotorkonstruktion für extreme Temperaturen und zyklische Belastung

Bei der Festlegung eines Schrittmotors für die Anwendung muss der Konstrukteur sorgfältig das Design des Rotors prüfen. Im Klappenaktuator startet und stoppt der Motor unter wechselnden thermischen Bedingungen, wodurch zusätzliche thermomechanische Belastungen auf 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 für Hochtemperatur- oder Umgebungstemperaturbedingungen vom Material und seinen thermischen Eigenschaften, insbesondere vom Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), ab.

Der Konstrukteur muss die Gewissheit haben, dass der Motorhersteller die richtige Wahl zwischen linearen und nichtlinearen materialbasierten Baugruppen getroffen hat. Die Leistung nichtlinearer Materialien wie Klebstoffen hängt stark von der Chemie und den Verarbeitungsparametern des Materials ab. Und die Wahl spezifischer Keramikmagnetsorten macht die Situation besonders komplex.

Der Konstrukteur muss auch berücksichtigen, wie das Produkt vom Motorenhersteller validiert wurde, um die ordnungsgemäße Leistung vor Ort zu bestätigen. Die Validierung unter statischen Umgebungsbedingungen (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) und spezifischen Belastungsbedingungen ist eine Sache: Das in der Konstruktion gewählte Materialschema berücksichtigt diese Faktoren bereits. Die Validierung ihrer Leistung unter dynamischen Bedingungen (schnelle Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder plötzliche Belastungsänderungen oder die Kombination mehrerer Parameter) ist eine ganz andere. Doch nur mit diesen Tests kann der Konstrukteur sicher gehen, dass der Motor langfristig die erforderliche Leistung erbringt. Konstrukteure sollten die Ergebnisse von Simulationen oder analytischen Tests einsehen können.

Portescap validiert beispielsweise Rotorbaugruppen bei zunehmenden Temperaturen und Temperaturschockbedingungen in Umweltkammern und Öfen, um sicherzustellen, dass die Rotorbaugruppe den extremen Anforderungen der Anwendung gerecht wird. Portescap bestimmt auch die mechanische Festigkeit des Rotors bei einer bestimmten Temperatur mit Axial- und Torsionskraftprüfungen. Schließlich kann durch beschleunigte Lebensdauertests die Lebensdauer des Motors in der Anwendung bei bestimmten Temperaturbedingungen mit größerer Sicherheit vorhergesagt werden. Die Tests werden je nach den Anforderungen der Anwendung bei belasteten und unbelasteten Bedingungen durchgeführt.

Aufgrund dieser anspruchsvollen Anforderungen wäre es klug, sich schon in den Anfangsphasen der Konstruktion mit einem kompetenten Motorlieferanten in Verbindung zu setzen. Während das Preis-Leistungs-Verhältnis eines Schrittmotors ihn in erster Linie zu einer guten Option für HLK-Aktuatoren macht, ist es oft von Vorteil, mit einem Lieferanten zu sprechen, der Schrittmotoren kundenspezifisch anpassen kann, um die Produktspezifikationen den Anforderungen der jeweiligen Anwendung besser anzupassen.