Die Zukunft des Testens ist elektrisch
Nach sieben Jahrzehnten der Dominanz ölbasierter Systeme ist nun die zweite Revolution im Bereich der Prüftechnik angebrochen. Weltweit werden in Laboren hydraulische Systeme durch elektrische Antriebe ersetzt, und die Vorteile gehen weit über die reine Leistungsfähigkeit hinaus.
STEP Lab wurde 2007 als Vorreiter dieser Revolution gegründet und hat sich vom ersten Tag an mit der Erforschung und Entwicklung von Testsystemen auf Basis elektrischer Antriebe befasst. STEP Lab konzentriert sich auf Technologien, die die älteren, ölbasierten Systeme auf effiziente und leistungsstarke Weise ersetzen können. Die Produktpalette gliedert sich derzeit in zwei Hauptfamilien: EA und UD.
Die beiden Technologien
EA-Serie
Elektromechanische Antriebe auf Basis hochpräziser und äußerst zuverlässiger Kugelumlaufspindeln.
Diese Technologie eignet sich am besten für:
- Dynamische Tests an Positions- und Kraftregelkreisen, bis zu 35 Hz, mit Beschleunigungen bis zu 4 G
- Statische Tests am Positionsregelkreis
- Statische Prüfungen am Kraftregelkreis (Kriechversuche)
Derzeit deckt das Produktangebot an elektromechanischen Antrieben einen breiten Kraftbereich ab: von <Dynamische Kräfte von 1 kN bis über 200 kN. Mit diesen Werten lassen sich 95 % der weltweiten hydraulischen Anwendungen im Prüfbereich ersetzen.
UD-Serie
Elektrodynamische Aktuatoren auf Basis hochdynamischer Linearmotoren.
Diese Technologie ist für die folgenden Anwendungen die beste auf dem Markt:
- Dynamische Tests an Positions- und Kraftregelkreisen mit einer Testfrequenz von mehr als 250 Hz sowie Beschleunigung >90 G
- Versuche mit hoher Dehnungsgeschwindigkeit
- Die Erfassung von Zeitverläufen mit hoher Dynamik im Labor nachstellen
Die maximale dynamische (Ermüdungs-)Belastung, die elektrodynamische Aktuatoren erreichen, beträgt 100 kN. Tatsächlich lässt sich dieser Wert mit der Linearmotortechnologie noch übertreffen.
Betriebliche Vorteile elektrischer Systeme
Der elektrische Antrieb zeichnet sich durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus, dank zwei wichtige Merkmale:
Direktantrieb
Die in mechanische Energie umgewandelte elektrische Energie wird direkt auf das Prüfobjekt (DUT) übertragen, insbesondere bei elektrodynamischen (Linearmotor-)Antrieben. Bei diesen Antrieben gibt es kein mechanisches Getriebe: Die elektromagnetische Kraft wird direkt vom Linearmotor auf die Antriebsstange übertragen. Dadurch lässt sich ein sehr hoher Wirkungsgrad des Systems erzielen, der in der Regel über 85 % liegt.
„KERS“-Effekt (Kinetic Energy Recovery System)
Bei zyklischen Prüfungen wird die Energie, die die Maschine während der Halbzyklusphase aus einer Probe abziehen muss, zurückgewonnen und in Kondensatoren gespeichert, um in der nächsten Phase wiederverwendet zu werden. Dieser Effekt kommt umso stärker zum Tragen, je höher die Prüfgeschwindigkeit und die Frequenz sind.
Dank dieser beiden Merkmale lassen sich im Vergleich zum hydraulischen Prüfsystem insgesamt 60 % bis 80 % Energie einsparen, und unter bestimmten Bedingungen (Prüffrequenz = Eigenfrequenz der Probe) liegt die Einsparung bei über 90 %.
Typische Energieeinsparungen im Vergleich zu hydraulischen Systemen
Einsparungen bei der Resonanzprüfungsfrequenz
Wirkungsgrad des Direktantriebs (Linearmotoren)
Wo die Elektromobilität die Oberhand gewinnt
Die Vorteile der elektrischen Antriebstechnik erstrecken sich auf Genauigkeit, Dynamik, Energieeffizienz, Verfügbarkeit, Betriebskosten und Umweltverträglichkeit. Nachfolgend finden Sie eine umfassende Aufschlüsselung aller relevanten Aspekte, soweit verfügbar mit konkreten Vergleichsdaten.
Genauigkeit und Wiederholbarkeit
Elektrisch
- Präzise über den gesamten Geschwindigkeitsbereich (0,1 – 4.000 mm/s)
- Positions- und Drehzahlregelung im geschlossenen Regelkreis mit einer Wiederholgenauigkeit von 1 µm
- Unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen oder mechanischer Hysterese
Hydraulisch
- Gute Genauigkeit erreichbar (allerdings erst nach langwieriger PID-Einstellung)
- Die Einschränkungen mechanischer Ventile beeinträchtigen die Präzision bei extremen Drehzahlen
- Öltemperatur, Kompressibilität, Ventilhysterese und Dichtungsreibung beeinflussen die Wiederholgenauigkeit
Dynamische Testleistung
Bei Ermüdungsprüfungen kommt es auf den Effektivwert der aufgebrachten Last an, was bedeutet, dass ein dynamischer Aktuator eine höhere Spitzenamplitude liefern kann, als seine statische Nennleistung vermuten lässt. Bei Stoß- oder Spitzenlastprüfungen können bürstenlose Gleichstrommotoren eine kurzzeitige Stromüberlastung verkraften, um für einige Sekunden zusätzliche Kraft zu erzeugen. Es sind keine speziellen hydraulischen Druckspeicherkreisläufe erforderlich.
| Spezifikation | Elektrisch (z. B. STEP Lab KUD080-L2) | Hydraulisch (Wettbewerber) |
|---|---|---|
| Schlaganfall | 300 mm / 12 in | 250 mm / 10 in |
| Spitzenleistung | 41 kN @ 5.0 m/s | 33.5 kN @ 3.5 m/s (180 gpm HPU) |
| HPU erforderlich | Nicht erforderlich | 525,600 unit (1,960 l) |
| Betriebszeit (typisch) | 95% (+876 hours/year) | 85% |
Energieverbrauch und Betriebseffizienz
Der Übergang von hydraulischem zu elektrischem Antrieb stellt einen Paradigmenwechsel im Energiemanagement und bei der Kostensenkung dar. Im Gegensatz zu Hydraulikaggregaten, die unabhängig vom Bedarf kontinuierlich mit vollem Druck laufen müssen, verbrauchen elektrische Antriebe nur während der Bewegung Energie. Darüber hinaus nutzen sie integrierte Kondensatoren zur Rückgewinnung kinetischer Energie (KERS), die beim Abbremsen Energie auffangen und wieder in das System zurückspeisen. Unabhängige Untersuchungen der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften bestätigen, dass elektrische Systeme bis zu sechsmal effizienter sein können als herkömmliche hydraulische Anlagen.
Vergleichende Kostenanalyse (pro 1.000 Betriebsstunden)
| Parameter | Elektrisch (z. B. STEP Lab KUD080-L2) | Hydraulisch (Konkurrenz) |
|---|---|---|
| Stromaufnahme | 85 kW | 270 kW |
| Energieverbrauch | 85 MWh | 270 MWh |
| Jährliche Betriebskosten* | $ 53.800 | $ 170.880 |
*Basierend auf Energiekosten von 85 $/MWh.
Jährliche Einsparungen durch die Umstellung auf Elektroantrieb
Wartungskosten
Hydrauliksysteme erfordern eine regelmäßige Wartung der Flüssigkeiten und Dichtungen. Elektrische Antriebe müssen lediglich in regelmäßigen Abständen an den Linearführungen geschmiert werden, der sonstige Wartungsaufwand entfällt vollständig.
| Artikel | Strom (jährlich) | Hydraulik (jährlich) |
|---|---|---|
| Öl | $0 | $2,500 |
| Filter | $0 | $750 |
| Rohre und Dichtungen | $0 | $3,000 |
| Chiller | $500 | $500 |
| Gesamt | $500 | $6750 |
Sicherheit, Umwelt und Lärm
Elektrisch
- Keine Ölaustritte, keine Brandgefahr durch Hydraulikflüssigkeit
- Keine Öldämpfe, für Reinräume geeignet
- Keine Kosten für die Altölentsorgung
- Geräuschpegel des Stellantriebs: ca. 55 dB im Ruhezustand, ca. 68 dB im Betrieb
- Es ist kein Gehörschutz oder keine Schalldämmung erforderlich
Hydraulisch
- Ölflecken erfordern eine regelmäßige Bodenreinigung
- Öldämpfe belasten die Luft und die Umwelt
- Kostspielige Entsorgung von Altöl
- Geräuschpegel der HPU: ca. 72 dB (erfordert oft einen Gehörschutz)
- Für die Schalldämmung ist möglicherweise eine spezielle Infrastruktur erforderlich
Schlussfolgerung
Der Übergang von hydraulischen zu elektrischen Prüfverfahren ist keine Zukunftsvision, sondern ein bereits stattfindender Wandel. Die Technologie ist ausgereift, das Anwendungsspektrum ist breit, und die Gesamtbetriebskosten sprechen in Bezug auf Genauigkeit, Energieverbrauch, Wartung und Umweltaspekte zunehmend für elektrische Systeme.
Dank ihrer vollständig elektrischen Architektur bieten die Systeme von STEP Lab im Vergleich zu hydraulischen Alternativen einen umweltfreundlicheren Betrieb, eine höhere Genauigkeit und niedrigere Lebenszykluskosten.
Wenn Sie auf der Suche nach einer vollelektrischen Prüfmaschine sind, bietet STEP Lab eine der fortschrittlichsten und zuverlässigsten Lösungen auf dem Markt.
| Funktionen | Elektrisch | Hydraulisch |
|---|---|---|
| Genauigkeit | Präzise bei allen Drehzahlen; Regelung von Position und Drehzahl | Läuft gut nach einer ausgiebigen PID-Einstellung; hat Schwierigkeiten bei sehr hohen oder sehr niedrigen Drehzahlen |
| Kraftbereich | Bereich <1 kN – 200 kN; deckt 95 % der Anwendungsfälle ab | 1 kN – 2.000 kN; vorzugsweise über 200 kN |
| Dynamische Prüfungen | Bis zu 250+ Hz; Spitzenüberlastung durch Motorstromverstärkung möglich | Funktioniert, ist jedoch durch die mechanische Ventilreaktion eingeschränkt |
| Energieverbrauch | 60–80 % weniger; KERS-Energierückgewinnung bei zyklischen Tests | Dauerbetrieb mit voller Leistung, unabhängig vom tatsächlichen Bedarf |
| Installation | Plug-and-Play (nur elektrischer Anschluss) | Aufwändige Einrichtung; erfordert eine Infrastruktur für ein Hydraulikaggregat |
| Wartung | Minimal (lediglich regelmäßiges Schmieren der Linearführungen) | Regelmäßige Ölwechsel, Austausch von Dichtungen, Behebung von Undichtigkeiten |
| Luftverschmutzung und Umweltverschmutzung | Null (reinraumtauglich) | Öldämpfe, Leckagen, kostspielige Altölentsorgung |
| Betriebsgeräusche | In der Regel unter 60 dB | Hoch (möglicherweise ist ein Gehörschutz oder eine Schallisolierung erforderlich) |
FAQ
Können elektrische Antriebe hydraulische Antriebe vollständig ersetzen?
Was ist der Unterschied zwischen elektromechanischen und elektrodynamischen Antrieben?
Wie viel Energie sparen elektrische Stellantriebe tatsächlich?
In der Regel zwischen 60 % und 80 % im Vergleich zu einem gleichwertigen Hydrauliksystem. Dies wird durch zwei Mechanismen erreicht: den Direktantrieb (keine mechanischen Übertragungsverluste) und ein System zur Rückgewinnung kinetischer Energie (KERS), das während der Verzögerungsphase von zyklischen Tests Energie auffängt und speichert. Unter resonanten Testbedingungen können die Einsparungen 90 % übersteigen.
Sind elektrische Stellantriebe für Reinraumumgebungen geeignet?
Wie aufwendig ist die Installation im Vergleich zu einem hydraulischen System?
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