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Antriebstechnik von Siemens und RockwellVom Hybridsystem zum doppelten Standard

Karl-Heinz Klumpe

Die KHS-Gruppe bietet die Antriebstechnik ihrer Verpackungsanlagen nun durchgängig in zwei verschiedenen Varianten an.

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WechselstrommotorenDen passenden Elektromotor finden

Viele Motorbautypen überlappen sich in ihren Funktionsweisen. Nach welchen Kriterien soll man also den richtigen Elektromotor für die jeweilige Anwendung auswählen? Jerry Hodek, Leiter Technik und Betrieb bei Regal, gibt mit diesem Leitfaden Hilfestellung für Anwendungen, bei denen es auf Präzision bei Drehmoment, Drehzahl oder Positionierung ankommt.

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Wechselstrommotoren: Den passenden Elektromotor finden

In industriellen Anwendungen weit verbreitet sind Wechselstrom-Induktionsmotoren, Permanentmagnet-Wechselstrommotoren und Servomotoren. Der erste Typ ist am preisgünstigsten und für unzählige Anwendungen geeignet. Der letztgenannte Typ ist am teuersten, zeichnet sich aber auch durch erstaunliche Leistungsfähigkeit aus.

Der Induktionsmotor ist das Arbeitspferd der Industrie. Die Anzahl der weltweit installierten Motoren dieses Typs liegt im zweistelligen Millionenbereich. Sie treiben die unterschiedlichsten Arten von Maschinen an. Ihre Bauweise und das Funktionsprinzip sind relativ simpel. Normalerweise handelt es sich um Maschinen mit konstanter Drehzahl, aber in Kombination mit einem elektronischen Verstellantrieb mit Frequenzumrichter ist die Drehzahl recht genau regelbar.

Der Ständer des Induktionsmotors besteht aus einem Paket dünner, hochdurchlässiger Stahlbleche mit Schlitzen. Diese Blechpakete werden von einem Gehäuse aus Stahl oder Gusseisen getragen, in das sie eingebaut sind. Die an die externe Spannungsquelle angeschlossenen Enden der Windungen sind durch diese Schlitze herausgeführt. Der Läufer ähnelt einem Käfig mit Leiterstäben aus Aluminium oder Kupfer, die durch Kurzschlussringe verbunden sind - daher die umgangssprachliche Bezeichnung Käfigläufer für Induktionsmotoren. Auch der Läufer hat ein Blechpaket. Die Leiterstäbe sind in radiale Nuten auf dem Umfang des Blechpakets eingebracht. Der Läufer dreht sich, wenn das Drehfeld einen Strom in den kurzgeschlossenen Leitern induziert. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Läufer dreht, ist die Synchrondrehzahl des Motors.

Die synchrone Drehzahl ist theoretisch die schnellste Drehzahl, die ein Motor erreichen kann, d. h. wenn der Läufer sich ebenso schnell dreht wie das interne Drehfeld des Motors. In der Praxis ist der Induktionsmotor ein Asynchronmotor (bei dem der Läufer dem Drehfeld nacheilt), sodass der Läufer eine geringere Drehzahl aufweist als das Magnetfeld. Die Differenz zwischen der Drehzahl des Drehfeldes und der tatsächlichen Drehzahl des Läufers ist der Schlupf. Hierdurch kann der induzierte Läuferstrom fließen und das Drehmoment erzeugen, das unter Überwindung interner Verluste eine Last antreiben kann.

Es gibt viele Beispiele für Induktionsmotoren, die über Jahre hinweg im Dauerbetrieb und so gut wie fehlerfrei laufen. Mögliche Probleme hängen mit ihrer physikalisch vorgegebenen Drehzahlleistung zusammen: Verschleißerscheinungen an inneren Komponenten durch Überhitzung, hohe Anzugsströme beim Anlaufen und Empfindlichkeit gegenüber Betriebsarten mit vielen Starts und Stopps. Auch wenn dieser Motorentyp für zahlreiche Anwendungen geeignet ist, gibt es deshalb Bereiche, in denen ein Elektromotor mit anderer Funktionsweise zu bevorzugen ist.

Permanentmagnetmotoren

Beim Permanentmagnet-Wechselstrommotor (PMAC) bzw. bürstenlosen Motor hängt die Magnetisierung nicht ausschließlich vom Strom ab. Auf oder im Läufer sind zusätzliche Magnete angebracht, die der Leistungssteigerung dienen. Hierbei handelt es sich um starke Magnete aus seltenen Erden (typischerweise 50 - 200 % stärker als Ferritmagnete).

Bis vor Kurzen waren Magnete aus seltenen Erden sehr teuer, sodass sich PM-Motoren nicht richtig durchsetzen konnten. Inzwischen sind die Preise aber gefallen, und dieser Motorentyp wird immer beliebter. Man sagt dem PM-Motor eine dem Servomotor vergleichbare Leistungsfähigkeit nach - bei geringeren Kosten.

Reine PM-Motoren müssen immer mit einem eigenen Umrichterantrieb betrieben werden (obwohl auch einige Hybridmodelle auf dem Markt sind, die ohne Umrichterantrieb mit konstanter Drehzahl anfahren und laufen). Die höheren Kosten und der Komplexitätsgrad werden in der Regel durch die Möglichkeit der Drehzahlregelung aufgewogen. Man darf außerdem nicht vergessen, dass PM-Motoren in Kombination mit einem Antrieb einen besonders hohen Wirkungsgrad haben.

Allerdings gibt es auch beim PM-Motor ein Problem zu überwinden: Die Permanentmagneten können dazu führen, dass der Läufer unruhig läuft. Bei niedrigen Drehzahlen äußert sich das als Ruckeln, bei höheren Drehzahlen als Drehmomentwelligkeit. Mögliche Folgen sind Lärm, Schwingungen und ungleichmäßiger Lauf, die aber durch diverse Methoden überwunden werden können.

Darüber hinaus ist die Maximaldrehzahl durch die Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) begrenzt, die der PM-Motor im Lauf erzeugt. Normalerweise ist das kein Problem, weil man einen Motor mit einer für die zu verrichtende Arbeit angemessenen Drehzahl wählt oder ein Vorgelege verwendet. Es ist jedoch möglich, dass der elektronische Antrieb eine Drehzahl vorgibt, die die Sicherheitsgrenze übersteigt oder dass unter Last der Gegenantrieb beim Motor zu einer Überdrehzahl führt. Beides kann Schäden zur Folge haben. Denkbar ist auch, dass die Permanentmagneten ihre Kraft verlieren, wenn sie über längere Zeit Hitze oder Überströmen ausgesetzt sind.

Servomotoren

Servomotoren sind zweiphasig gewickelt, wobei die Phasen im rechten Winkel zu einander angeordnet sind. Einer festen Referenzwicklung wird aus einer Quelle eine feste Spannung zugeführt, während eine von einem Servoverstärker stammende, variable Steuerspannung die zweite Wicklung erregt.

Typischerweise sind diese Wicklungen mit identischem Spannungs/Wicklungs-Verhältnis ausgelegt, sodass der Leistungseingang bei maximaler Erregung der festen Phase und bei maximalem Steuerphasensignal ausgewogen ist.

Servomotoren sind bei gleicher Leistung deutlich kleiner als andere Motortypen, und durch ihr geringeres Trägheitsmoment reaktionsschneller. Dank ihrer nahezu linearen Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik lassen sie sich sehr präzise steuern.

Servomotoren werden immer mit einer Geberrückführung verbaut, die die Drehposition der Abtriebswelle überwacht und die Anzahl der Umdrehungen vorwärts und rückwärts mit einer Präzision von Bruchteilen eines Grades erfasst. Dieser Datenstrom liefert Informationen über die tatsächliche Wellenposition und wird einem Elektronikregler oder Servoverstärker zugeführt, um die Position der Welle zu überwachen. Wenn die Welle nicht in der gewünschten Position ist, kann das durch die Rückführung im laufenden Betrieb korrigiert werden.

(Auch andere Motortypen können mit einer Geberrückführung betrieben werden, wenn die Anwendung dies verlangt. Es ist jedoch keine unabdingbare Voraussetzung.)

Wir sehen also, dass Servomotoren sehr leistungsfähig sind und hohe Drehzahlen erreichen. Gleichzeitig sind sie kompakt, hochpräzise und besonders gut zu steuern. Einen Wermutstropfen gibt es allerding - und das ist der Preis. Als Faustregel kann gelten, dass ein Servomotor etwa zehn Mal so viel kosten kann wie ein entsprechend ausgelegter Induktionsmotor, und auch die Installation und Inbetriebnahme sind aufwändiger (d. h. teurer).

Auswahl

Zwischen den verschiedenen Elektromotortypen gibt es große Unterschiede hinsichtlich der dynamischen Fähigkeiten, und dasselbe gilt für den Preis und den technischen Aufwand für Einbau und Instandhaltung. In vielen Anwendungsfällen ist die Auswahl des am besten geeigneten Motors keine Frage. Die erforderliche Leistung passt bequem in das Leistungsspektrum des einen oder anderen Typs.

Es wird allerdings auch Fälle geben, wo die Anforderungen im oberen Leistungsbereich des einen Motortyps liegen bzw. im unteren Leistungsbereich eines anderen Typs, wobei der Wirkungsgrad den Hauptunterschied ausmachen dürfte. Letzten Endes werden Sie Kosten gegen Zuverlässigkeit abwägen müssen. In solchen Fällen ist Expertenrat sinnvoll und zwar am besten von einem Hersteller, die viele verschiedene Motortypen anbietet. Er verfügt über das entsprechend breit gefächerte Know-how und kann Sie objektiv beraten. kf

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