EMO 2015

Energieeffizient und wirtschaftlich – neue Torquemotoren von Schaeffler

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Auslegung als „heißer“ oder „kalter“ Antrieb

Die Variante „heißer Antrieb“ bietet sich bei Großserienfertigungen an, bei denen die auszulegende Achse einen Engpass in der Produktion darstellt. Auf einen Fertigungsprozess hin werden die Antriebe so ausgelegt, dass der Bauraum maximal genutzt und die höchste für den Prozess sinnvolle Antriebsleistung installiert wird. Im späteren Dauerbetrieb fährt der Motor nahe an seiner Leistungsgrenze und somit auch an der thermischen Grenze.

Beim „kalten Antrieb“ hingegen wird der Motor bewusst etwas überdimensioniert. Der Vorteil liegt auf der Hand. Die Motortemperatur bzw. die Wärmeverlustleistung des Motors ist deutlich geringer. Die Genauigkeit des Systems steigt und durch die höheren Drehmomente kann z.B. bei 5-Achsbearbeitung einer Kontur besser gefolgt werden. Als Folge hieraus nehmen Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit zu. Nachteilig an dieser Variante ist ein meist etwas höherer Preis.

Man kann nun versuchen, einen Motor zu entwickeln, der sowohl sehr gute Eigenschaften bei der Kraft-/Momentendichte im Bauraum als auch Spitzenwerte bei der Ableitung entstehender Wärme hat. Es geht also im Kern um Entwärmung, sprich: um das Wärmemanagement der Antriebe.

Wärmemanagement ebenfalls entscheidend

Ein Gedankenexperiment mag den Begriff des Wärmemanagements in einem Direktantrieb vorab veranschaulichen: Man stelle sich hierzu zwei Aluminiumplatten vor, die auf einer großen Basis liegen. Die eine (links) ist mit einem konventionellen Isolationsmaterial beschichtet, die andere (rechts) mit einem neuen innovativen Material. Legt man nun zwei gleichgroße Eiswürfel auf die beiden Aluminiumkörper, zeigt sich, dass ein Eiswürfel deutlich schneller schmilzt als der andere. Nach kurzer Zeit stellt sich auf der rechten Seite eine niedrigere Temperatur des Grunkörpers ein. Das bedeutet, dass die Wärmeenergie des Aluminiumkörpers die Isolation schneller durchdringt als bei dem Vergleichskörper mit konventioneller Isolation.

Zurück zum Elektromotor: Vereinfacht betrachtet, wird die Verlustleistung von den Motorwicklungen erzeugt und in das Motorenblech abgeleitet. Von diesem überträgt sie sich auf das Gehäuseteil und schließlich in das Kühlmedium. Im nächsten Schritt wird im thermischen Ersatzschaltbild des Elektromotors jeder Wärmeübergangswiderstand rechnerisch untersucht und optimiert.

Gelingt es den Wärmeübergangswiderstand deutlich zu reduzieren, hat man im Ergebnis nicht nur einen deutlich kühleren Motor, sondern auch ein thermisch robusteres System. Die maximal mögliche Leistung, die aus dem Motor heraus gekühlt werden kann, erhöht sich im Beispiel (RIx 230x50) von knapp 2 kW auf über 3,6 kW. In der praktischen Umsetzung bedeutet dies, Motoren können mit mehr Leistung gefahren werden (Auslegungsstrategie „heißer Motor“) oder die Reserve wird bewusst zur Wirkungsgradverbesserung genutzt (Auslegungsstrategie „kalter Motor“).

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