HEIDENHAIN-Messtechnik für den Aufzug der Zukunft

TECHNOLOGIEBERICHT

Ohne Seil senkrecht
und waagrecht fahren

HEIDENHAIN-Messtechnik für den Aufzug der Zukunft

Ohne Seil senkrecht und waagrecht fahren
Eine Aufzugkabine, die nicht über Seile bewegt wird – an derRealisierung dieser Vision arbeiten Aufzugbauer bereits.
Und HEIDENHAIN liefert die Messtechnik dazu, die den sicheren
und komfortablen Betrieb ermöglicht.
Aufzug – das heißt für die meisten Menschen eine Kabine, die an Seilen hängt
und Personen oder Lasten nach oben bzw. unten transportiert. Diese Technik ist
aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und hat beachtliche Standards bei
Geschwindigkeit, Fahrkomfort und Sicherheit erreicht. So bewegen sich Seilaufzüge inmodernen Hochhäusern mit Geschwindigkeiten über 10 m/s und erreichen Höhen vonüber 400 m.
Moderne Mess- und Regeltechnik mit HEIDENHAIN-Drehgebern speziell für
die Aufzugtechnik sorgt dabei für besonders angenehme Beschleunigungs- undBremsvorgänge, eine gleichmäßige Fahrt und punktgenaue Stopps.
Dadurch spüren die Fahrgäste das Anfahren und Abbremsen kaum. Außerdem
hält der Aufzug so an, dass sein Boden ohne Stolperkante plan zum Fußboden desgewählten Stockwerks liegt. Angesichts der immensen Zahl von Fahrgästen, dietäglich einen Aufzug benutzen, gehört der Seilaufzug außerdem zu den sichersten
Verkehrsmitteln der Welt. Trotzdem gibt es gute Gründe, diese erfolgreicheTechnologie weiterzuentwickeln.

Neue Aufzugkonzepte für immer größere Gebäude
Moderne Seilaufzüge haben zwei wesentliche, konstruktionsbedingte
Einschränkungen: Aufgrund der Seillast sind die erreichten Beförderungshöhen
kaum mehr zu steigern und pro Schacht kann in der Regel nur eine Kabine auf
und ab fahren. Dadurch ist die zu transportierende Fahrgastzahl stark limitiert.
Demgegenüber steht die Entwicklung beim Bau von Großprojekten: DieArchitekten stoßen in immer größere Höhen vor und errichten immer weitläufigere
Gebäudekomplexe, die immer mehr Menschen besuchen – sei es zum Wohnen,Arbeiten, Shoppen oder bei der Freizeitgestaltung in Fitness-Centern, Kinos,2

Restaurants, Bars etc. Die aufwendige Bauweise und Statik solcher Gebäude treibt gleichzeitig die Kosten in die Höhe,sodass möglichst viel Nutzungsfläche möglichst wenig Verkehrs- und Betriebsfläche gegenüberstehen sollte.

Herkömmliche Seilaufzüge
benötigen mit zunehmenden
Fahrgastzahlen mehr Verkehrsfläche
durch zusätzliche Aufzugschächte
und bei großen Förderhöhen
zusätzliche Aufzugsysteme.

HEIDENHAIN-Drehgeber AEF 1323 mit EnDat 2.2-Schnittstelleund Anschlussmöglichkeiten für einen Motortemperatursensor:
dynamische Antriebsregelung an Seilaufzügen für weiches Anfahren, kontinuierliches Beschleunigen, komfortable und belastungsfreie Beförderung, sanftes Abbremsen und exaktes Einfahren in
die Zielposition.

Um in solchen Megagebäuden der Zukunft die notwendige Fahrgast- und Streckenleistung mit der aktuellen
Seilaufzugtechnik zu realisieren, müssten entsprechend viele Aufzugschächte und – ab einer bestimmten Höhe –zusätzliche weitere Aufzugsysteme für den Weitertransport eingeplant werden. Das ginge natürlich zu Lasten der sehr
kostbaren Nutzungsfläche. Da die Fahrgastkapazitäten auf der Grundlage der Maximalauslastung kalkuliert werden,
würden die Aufzüge allerdings die meiste Zeit nur mit geringer Auslastung fahren. Denn in einem Bürogebäude sind

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beispielsweise Kapazitäten für die Stoßzeiten bei Arbeitsbeginn und -ende vorzusehen, während den Rest des Tages vielweniger Aufzugkabinen ausreichen. Deshalb sind die Aufzughersteller auf der Suche nach alternativen Lösungen ohne
Einschränkung der Förderhöhe und mit mehr und vor allem flexibel abrufbarer Fahrgastkapazität.

Absolute Winkelmessgeräte wie das AMO WMKA
mit Außenabtastung eignen sich für die besonders
genaue Positionsmessung an Torquemotoren mit
großen Durchmessern.

Ohne Seil in die Zukunft
Auf der Suche nach neuen Wegen und Lösungen werden gerne „alte Zöpfe abgeschnitten“. Die Aufzughersteller
denken aktuell im wörtlichen Sinne dieser Redewendung darüber nach, die Aufzugseile abzuschneiden und seilloseAufzüge zu realisieren. Dieser technische Ansatz nimmt Anleihe beim Transrapid, der in Deutschland entwickelten
Magnetschwebebahn für den Hochgeschwindigkeitsverkehr. Denn angetrieben werden die Aufzüge der Zukunft direkt mit
Hilfe der Linearmotortechnologie. Die Kabine ist dazu mit passiven Magneten ausgerüstet, während sich im Aufzugschacht
der in Segmente unterteilte aktive Stator befindet. Durch die entsprechende Bestromung dieser Einzelsegmente können
sich mehrere Kabinen in einem Schacht unabhängig voneinander bewegen.
Zusätzlich zur senkrechten Bewegung erlaubt dieses Antriebskonzept auch waagrechte Bewegungen. Die waagrechte
Bewegung ermöglicht es, die neue Technik in Megabauten und in großen, zusammenhängenden Gebäudekomplexen auchfür die zunehmend langen Strecken in der Ebene zu nutzen. Nach einer solchen Fahrt in der Waagrechten könnte die Kabinedann – in einem anderen Schacht eines anderen Gebäudeteils – wieder in die Höhe bzw. Tiefe weiterfahren.

Innovative Messtechnik gefordert
Das neue Transportkonzept erfordert eine angepasste Messtechnik – einerseits zur Ermittlung der Positionsinformationen
für die Geschwindigkeitsregelung der Kabine, andererseits zur Positionierung und Regelung eines Drehgelenkes beim
Schwenken in die Waagrechte. Die wesentliche Herausforderung für die Motorsteuerung bei der Linearbewegung besteht
in der erforderlichen Toleranz gegenüber Führungsabweichungen, während sie gleichzeitig eine hohe Signalgüte für dieRegelung des Direktantriebs bereitstellen muss. Denn nur hervorragende Messsignale reduzieren Vibrationen, ermöglichen
dynamische Fahrten, erhöhen deutlich die Laufruhe und vermeiden zusätzliche Wärmeentwicklung. Eine weitere wichtige
Anforderung ist der Fahrkomfort, weil das Anfahren und Abbremsen für die Fahrgäste kaum wahrnehmbar sein soll. Und
nicht zuletzt der Richtungswechsel von der Senkrechten in die Waagrechte und zurück muss natürlich hochgenau, sicherund ruckfrei erfolgen.

4Seillose Aufzüge können hochflexibel mehrere Kabinen in einem Aufzugschacht bewegen und über die waagrechte
Verfahrmöglichkeit nicht nur den Schacht für Ausweichmanöver wechseln, sondern auch nebeneinanderliegende
Gebäude miteinander verbinden.

Die HEIDENHAIN-Lösung für diese komplexen Anforderungen ist ein absolutes induktives Längenmesssystem mit
besonderen Eigenschaften namens LINA 200. Der absolute Maßstab besteht aus zwei Spuren mit unterschiedlicher
Signalperiode, die zu einem absoluten Positionswert verrechnet werden. Diesen hochgenauen Positionswert überträgt die
EnDat 2.2-Schnittstelle rein digital an die Nachfolgeelektronik. Eine Besonderheit des Maßstabs ist dabei, dass die beiden
Spuren nicht in einer Ebene angeordnet sind, sondern sich gegenüberliegen. Das dafür realisierte u-förmige Maßstabdesign
ermöglicht nicht nur die Abtastung der Maßverkörperung von beiden Seiten. Die doppelwandige Ausführung schützt auchdie Teilung und die Abtastung vor mechanischen und elektromagnetischen Einflüssen. Außerdem realisiert diese Art derKonstruktion ein geringes Gewicht bei maximaler Steifigkeit. Der u-förmige Aufbau hat also sehr große Vorteile hinsichtlichder mechanischen Robustheit des Maßstabes und der Robustheit der Messgerätesignale.

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Neuentwickelte Längenmesstechnik für die anspruchsvolle Regelung des Linearantriebs
Der Maßstabkörper des LINA 200 mit einer Gesamtlänge von 2400 mm ist an der Kabine befestigt. Er besteht ausvier Abschnitten mit jeweils ca. 600 mm Messlänge. Abgetastet werden die Teilstücke durch Abtastköpfe, die imSchacht kaskadierend angeordnet sind. Das ermöglicht eine Positionserfassung über die gesamte Fahrstrecke. Trotz dergroßzügigen Führungstoleranzen von ±5 mm bzw. ±4 mm erreicht das LINA 200 einen Messschritt von ca. 2 µm. Damit
liefert es nicht nur zuverlässig hochgenaue Positionssignale für die Antriebsregelung des seillosen Aufzugs. Es bietet auch
genügend Toleranzen für ein praxisgerechtes Montagekonzept im Aufzugschacht und um Bewegungen des Gebäudes
auszugleichen.
Hinsichtlich Dynamik und Fahrkomfort erreicht das speziell für den seillosen Aufzug entwickelte LINA 200 ebenfalls
Spitzenwerte. In ersten Tests waren Fahrgeschwindigkeiten von 6 m/s problemlos möglich, im Labor lieferte das LINA 200
verlässliche Positionswerte bis zu Fahrgeschwindigkeiten von 18 m/s. Bei langsamer Fahrt sowie beim Beschleunigen nachund beim Abbremsen vor einem Stopp sorgt die hohe Auflösung der Positionswerte von 18 Bit bei einer Messlänge von ca.
600 mm für eine sehr angenehme, sanfte Bewegung.

EnDat-Schnittstelle liefert Diagnosedaten
Die Signale der Abtastköpfe sind zudem so stabil und so reproduzierbar, dass die im EnDat-Protokoll definierten
Diagnosewerte zur Signalqualität Rückschlüsse auf die mechanischen Toleranzen der Führungsschienen zulassen. Damit
dient das Längenmessgerät LINA 200 nicht nur zur Antriebssteuerung, sondern liefert auch Daten für eine permanente
Diagnose bzw. Zustandsüberwachung der Mechanik. So können Laufabweichungen während des Fahrbetriebs erkannt
werden.
In dieser Applikation bietet die rein digitale Schnittstelle EnDat 2.2 aber noch einen weiteren wichtigen undsicherheitsrelevanten Vorteil. Denn in der Umgebung von Linearmotoren entstehen üblicherweise starkeelektromagnetische Störfelder. Die EnDat 2.2-Schnittstelle verfügt über eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit
und gewährleistet – im Gegensatz zur herkömmlichen Datenübertragung mit analogen Signalen – eine sichere
Datenübertragung auch in diesem Umfeld.
Die EnDat 2.2-Schnittstelle für absolute Messgeräte steht im Übrigen nicht nur in den hier beschriebenen,
applikationsspezifischen Feedbacksystemen für Linearmotoren zur Verfügung, sondern auch bei Messgeräten fürherkömmliche Seilaufzugsysteme. In diesen Applikationen ergänzen die Messgeräte mit EnDat 2.2-Schnittstelle die reine
Positionswerterfassung um weitere Zusatzinformationen, z. B. um die Diagnose der Abtastsignale des Messgeräts für eine
permanente Zustandsüberwachung oder um die Möglichkeit der Temperaturerfassung in der Motorwicklung.

Winkelmesstechnik zur Positionierung des Drehgelenkes
Für den Richtungswechsel aus der senkrechten in die waagrechte Fahrt und zurück müssen im Kreuzungsbereich derSchächte sowohl die aktiven Statoren samt Abtastköpfen im Schacht als auch die passiven Magnete samt Maßstab an derKabine exakt um 90° gedreht werden. Im Schacht befindet sich dafür ein Drehgelenk, das ein leistungsstarker Torquemotor

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antreibt. Für einen reibungslosen Richtungswechsel ist die exakte Positionierung des Drehgelenkes im Kreuzungsbereich
entscheidend. Denn nur, wenn die Linearkomponenten des Drehgelenks exakt fluchten, ist eine Änderung derBewegungsrichtung sicher, ruck- und schwingungsfrei möglich.
Die zur Regelung des Torquemotors nötige Positionserfassung während der Drehbewegung übernimmt ein modulares
absolutes Winkelmessgerät von HEIDENHAIN. Es verfügt wie das LINA 200 über die leistungsfähige EnDat 2.2Schnittstelle. Das Winkelmessgerät besteht aus einem Maßbandsegment und der zugehörigen Abtastelektronik undliefert der Motorregelung alle nötigen Daten zur Bestimmung der aktuellen Position des Drehgelenks. Außerdem stellt esumfangreiche Zusatzinformationen zum Zustand des Aufzugsystems digital in hoher Auflösung zur Verfügung.

Richtungswechsel bei einem seillosen Aufzug

Fazit
Einmal mehr überzeugt HEIDENHAIN-Messtechnik in einer
herausfordernden Applikation.
Die gekonnte Umsetzung des optimalen Abtastprinzips in eine
auf die Anwendung zugeschnittene Messgerätkonfiguration sowie
die Features der digitalen EnDat 2.2-Schnittstelle lassen Visionen
zur Realität werden.

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Das neue Längenmessgeräte LINA 200 für die
seillose Aufzugtechnik: unten der u-förmige
Maßstab, der an der Kabine befestigt wird,oben ein Abtastkopf zur Montage im Aufzugschacht          
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*I1249270-10*1249270-10 · 5 · 4/2018 · H · Printed in Germany