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Direktmotorentechnik - Effizienzsteigerung mit Direktmotoren

Rexroth automatisiert BearbeitungszentrumBedienen wie das Smartphone

SW Bearbeitungszentrum mit Bosch Rexroth Komponenten

Eine moderne, an Smart Devices orientierte Bedienung, integrierte Simulationstools und die Anbindung an Industrie 4.0: Diese Anforderungen erfüllt die Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH (SW) auch mit einer technologieüberreifenden Automatisierung von Bosch Rexroth.

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DirektmotorentechnikEffizienzsteigerung mit Direktmotoren

Umweltbewusstsein, steigende Energiepreise forcieren die elektrische Antriebstechnik. Eine Möglichkeit substantieller Ressourceneinsparung bietet die Direktmotorentechnik. 

Torquemotor

Die Nutzlast wird unmittelbar mit dem Motor gekoppelt. Drehzahl und/oder Drehmoment erfordern keine Anpassung an die Arbeitsmaschine. Bewegungswandler wie Getriebe, Spindeln beschränken die Dynamik der Bewegung nicht mehr. Ihre kostenträchtigen Anschlusskonstruktionen verschlechtern zudem mit den in ihnen entstehenden Verlusten den Wirkungsgrad. Infolge ihrer Vorzüge kommt diese Technologie zum Beispiel bei hochdynamischen Präzisionsaufgaben in der Handhabungstechnik zum Einsatz, grundsätzlich immer dann, sofern die konventionelle Ausführung an ihre Grenzen stößt. Selbst gegenüber Antrieben mit energetisch verbesserten Normmotoren steigt die Energieeffizienz begleitet von der Zunahme Zuverlässigkeit, Wartungsarmut, Raum-/Platzersparnis (Bild 1).

Sowohl Linear- als auch rotierende Bewegungsantriebe nutzen erfolgreich diese Technik. Die sich drehende, den Getriebemotor ersetzende Maschine entspricht einem aufgewickelten Linearmotor. Eine solche Ausführung steht hier im Vordergrund, obwohl gleichfalls die Linearstruktur etwa als intelligentes Transportsystem (Smart Carriage: APT Automation und Mitsubishi Electric) an Bedeutung zunimmt.

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Merkmale 
Der getriebelose Motor wird unmittelbar, mechanisch steif und übersetzungsfrei in die Arbeitsmaschine integriert. Im Ergebnis entfallen Lager, die Laufruhe erhöht sich. Zur Kühlung dienen Luft oder Wasser. Der kompaktere Direktmotor stellt besonders dann eine Alternative dar, wenn wie bei Extrudern ein Drucklager im Antrieb zwingend ist. Als Einzelbaustein sind sie gegenüber leistungsgleichen Standardmaschinen lastverlustabhängiger. Alle Ausführungen werden als einbaufähiger, lagerloser Bausatz oder als Komplettmotor geliefert (Bild 2). Ihr Bauvolumen sinkt tendenziell bei Hochgeschwindigkeitsmotoren, da die Leistung nicht über das Drehmoment, sondern über die Drehzahl gesteigert wird. Weitverbreitet ist der Hohlwellenläufer, er erfüllt wegen seines geringen Trägheitsmoments höchste dynamische Anforderungen. 

Bauarten Torque-Motor

Direktantrieb 
Der Direktantrieb ist ein zum kompakten Antriebssystem komplettierter Direktmotor (Bild 3). Seine Integration in die Arbeitsmaschine bietet dem Anwender Kostenvorteile (Verschleißarmut, niedrigere Betriebskosten, ver- längerte Lebensdauer, Verzicht auf Maschinenelemente beziehungsweise mechanische Übertragungselemente und spezielle Maschinenräume). Infolge der verbesserten Laufruhe sinkt der Geräuschpegel. Außerdem wachsen Regelgenauigkeit sowie wegen der verringerten Massen und der höheren Spielfreiheit beziehungsweise Steifigkeit die Dynamik bei gleichzeitig besserer Wiederhol- und Positioniergenauigkeit ggf. zusammen mit einem integrierten, hochauflösenden Messsystem. Produktivität und Energieeffizienz der damit angetriebenen Maschinen und Anlagen steigen ebenso wie die Qualität der hergestellten Erzeugnisse. Anwendungsbeispiele: Außenläufer-, Aufzugsantriebe, Lüfter u. a.


Der Direktantrieb wird ausgeführt

  • mit niedriger Drehzahl und großem Moment (Torque-Antrieb; ≤ 700 U/min, η  =  ,8…0,9, bis 45 kN/m3 beziehungsweise > 10.000 Nm) als hochpolige PM-Synchronmaschine mit Innen- oder Außenläufer. Letzterer bildet das Drehmoment besonders effizient. Die Maschine lässt sich flexibel – auch mit Hohlwelle – in eine Maschine integrieren. Torquemotoren arbeiten sehr dynamisch und können hochgenau positionieren. Infolge des durch großen Stromfluss erzeugten hohen Momentes mit hoher Verlustwärme erfordern geringe Drehzahlen Wasserkühlung. Der Torquemotor löst den elektrohydraulischen Antrieb ab.
  • mit hochtourigen Maschinen (Drehzahl 3.000 bis > 100.000 U/min),
  • als Linearsystem (Kurzstator für Fertigungsmaschinen – entspricht quasi einem abgewickelten, rotierendem Direktmotor, Langstator für Fahrzeuge).

Zu den bevorzugt eingesetzten bürstenlosen Motortypen gehören

  • fremdgesteuerte hybrid- oder PM-erregte Synchronmaschinen als Innen- oder Außenpolvariante (Voll- oder Schenkelpol),
  • selbstgesteuerte, bürstenlose EK-Maschinen
  • Transversal-/Axialflussmaschinen
  • Reluktanzmaschinen
  • Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer.

Maximale Laufruhe des Antriebs versprechen aktive Magnetlager.

Direktantrieb

Anwendungen 
Typische Einsatzgebiete für Torque-Antriebe liegen bei Werkzeugmaschinen (Schwenkachsen, Rundtische), in der Kunststoffindustrie (Walzen, Extruder), in Aufzügen. High-Speed-Antriebe eignen sich besonders für Pumpen, Verdichter, Vorschub-, Hauptantriebe von Werkzeugmaschinen, Handhabungstechnik großer Präzision, Stellantriebe, Lüfter. Die Einsatzbedingungen reichen bis zum Ex-Schutz in der Chemieindustrie. Zugleich nutzen E-Bikes, Waschmaschinen, Windräder, Laufwerke der IE solche Komponenten.

Stellgliedtechnik 
Grundsätzlich werden mit der konventionellen Antriebstechnik vergleichbare, leistungselektronische Stellglieder (Umrichter etc.) benutzt. Die Kompaktheit der Direktantriebe verlangt Halbleiter, die sich durch niedrige Verluste und hohe Zuverlässigkeit auszeichnen. Sie stehen beispielgebend mit den intelligenten Small IPM bereit (http://www.fujielectric-europe.com) und vereinen verlustarme Ansteuerung, Überwachung, Stabilisierung der Versorgungsspannung, Schutzfunktionen u.a.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause


Transversalflussmotor
Rotierende Maschine, bei der im Unterschied zur herkömmlichen Bauart der magnetische Fluss nicht radial, sondern axial wirkt. Arbeitet als PM-Synchronmaschine (auch scheibenförmig mit innenliegendem Rotor – TORUS-Maschine) oder nach dem Reluktanzprinzip. Vorteile: kleine Polteilung, hohe Ausnutzung, großer Drehzahlstellbereich, hohes Moment.

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