Elektromotor Renaissance des Asynchronmotors

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Herbert K. Sutter / Ute Drescher

Eine Alternative zu permanenterregten Synchronmotoren sind nach wie vor die bewährten Asynchronmotoren – mit optimierten Fertigungsparametern.

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Stator eingebaut in Kühlhülse und mit Wärmeleitharz vergossenStator eingebaut in Kühlhülse und mit Wärmeleitharz vergossen
Stator eingebaut in Kühlhülse und mit Wärmeleitharz vergossenStator eingebaut in Kühlhülse und mit Wärmeleitharz vergossen
(Bild: ATE)

Seit Anfang dieses Jahrtausends werden immer mehr permanentmagneterregte Synchronmaschinen eingesetzt. Die Gründe hierfür sind die erhöhte Leistungsdichte bei gleichem Bauraum und der hohe Wirkungsgrad. Die Leistungselektronik ist in der Lage, diese Motoren anzusteuern. Man benötigt jedoch Magnete aus den Seltenerdwerkstoffen. Wie der Name schon sagt, sind diese Werkstoffe selten und daher recht kostenintensiv bzw. die erschlossenen Vorkommen liegen vorwiegend in China. Eine Alternative stellt die bewährte Asynchronmotorentechnik dar, mit optimierten Blechschnitten und Fertigungsparametern. Diese Motorentechnik ist seit dem 19. Jahrhundert bekannt und erprobt.

ATE hat einen modernen Asynchronmotor entwickelt, der den Nachteil der geringeren Effizienz gegenüber Synchronmotoren wettmacht: Um eine möglichst hohe Effizienz aus der Maschine zu erhalten, sollten die Verluste des Asynchronmotors so niedrig wie möglich sein. Es gilt gleichzeitig, die Verluste möglichst optimal abzuführen, zum Beispiel mit einer Wassermantelkühlung. Das Maschinenvolumen ist gegeben und daher nicht beeinflussbar. Der Einsatz eines Kupferprofilstabs ermöglicht es ebenfalls, die Verluste zu reduzieren und die Effizienz zu steigern.

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Mittlerweile gibt es bei ATE eine Standardreihe mit Größen von 24 mm bis 800 mm Statoraußendurchmesser und Drehmomenten bis 6000 Nm in den Polzahlen ab 2-polig bis 24-polig.

Um die Polzahlen zu erhöhen, ist es erforderlich, die Nutzahlen ebenso zu erhöhen. Dadurch werden die Nuten immer kleiner und filigraner und die Stromdichten in den Nuten steigen an. Die Statorwicklungen müssen daher mit einer gut wärmeleitenden Vergussmasse eingebetten sein, damit diese hohen Stromdichten nicht die Isolationswerkstoffe zerstören können.

Der Einsatz eines Kupferprofilstabs bringt weitere Vorteile: Die wirksame Leiterfläche steigt und somit die Ströme und das Drehmoment. Da die Rotorkupferverluste direkt proportional der Leiterfläche und des Käfigwiderstandes sind, können hier höhere Ströme fließen und das wirksame Drehmoment kann erhöht werden.

Der Kurzschlusskäfig setzt sich aus den Stäben und den beiden Endringen zusammen. Der elektrische Widerstand sollte so klein wie möglich sein und errechnet sich aus Stabwiderstand und Ringwiderstand: Die Summe aus Stabwiderstand und Ringwiderstand ergibt den Käfigwiderstand. Über den Stabquerschnitt lässt sich der Stabwiderstand reduzieren. Genau das findet bei einem Profilstabrotor statt.

Asynchronrotoren mit Kupferprofilstab sind im Vorteil

Der Vergleich eines Asynchronmotors, dessen Käfigwerkstoff aus Aluminiumdruckguss besteht, mit einem Motor mit Käfigwerkstoff aus Kupferprofilstab zeigt die Leistungssteigerung:

  • Käfigwerkstoff aus Aluminiumdruckguss: Drehmoment 800 Nm bei Statorwassermantelkühlung und 110 °C Wicklungstemperatur im eingeschwungenen Zustand.
  • Käfigwerkstoff aus Kupferprofilstab: Drehmoment 930 Nm bei Statorwassermantelkühlung und 113 °C Wicklungstemperatur im eingeschwungenen Zustand.

Das nutzbare Drehmoment steigt um ca. 16 % gegenüber der Aluminiumdruckgusstechnik an und bietet eine sehr gute Alternative zum Synchronmotor. Bei einem Synchronmotor liegt das Drehmoment in etwa bei 1000 Nm.

In vielen Anwendungen kann dieser Asynchronmotor den Synchronmotor ohne weiteres ersetzen – wenn auch nicht immer. Für Achsmotoren können – aufgrund der erforderlichen hohen Polzahlen von teilweise über 100 – nur noch Synchronmotoren mit Zahnwicklungen und Oberflächenmagneten eingesetzt werden. Durch die hohen Polzahlen und dadurch generierten hohen Drehmomente kann hier vielfach ein Getriebe entfallen.

Anders bei Hauptspindeln für Bearbeitungscenter. Sie erfordern einen hohen Drehzahlstellbereich. Die Bearbeitungen auf den Maschinen reichen von Gewindeschneiden bzw. Sägen im niederen Drehzahlbereich mit hohen Momenten bis hin zu Fräsbearbeitungen im mittleren Drehzahlbereich und HSC-Bearbeitung im oberen Drehzahlbereich. Die Motoren müssen für hohe Drehmomente und hohe Drehzahlen ausgelegt sein.

Bei Synchronmaschinen benötigt man vielfach neben den zusätzlichen Induktivitäten (Vorschaltdrosseln) noch sog. Spannungsprotektionsmodule, die die Motoren bei hohen Drehzahlen und Umrichterstörung sicher abschalten. Desweiteren müssen die Umrichter hohe Ströme führen können und der gesamte Antriebsstrang wird dadurch teuer. Die Asynchronmotoren mit Kupferprofilstab im Rotor sind robust und erreichen große Drehzahlstellbereiche. Vorschaltdrosseln und VPM-Module entfallen vielfach und die Umrichter sind klein.

Für Drehmaschinenspindeln werden heute schnelldrehende Torquemotoren eingesetzt, die eine größere Leistungsdichte aufgrund hoher Polzahlen von bis zu 44 haben. Die Kupferprofilstab-Asynchronmotoren könnten hier allerdings auch Verwendung finden.

Kostensensible Universalmaschinen erfordern als Antrieb bewährte Asynchrontechnik mit Kupferprofilstab. Synchronmaschinen finden hier keine Verwendung. (ud)

SPS IPC Drives 2013: Halle 4, Stand 176

* Dipl.-Ing. Herbert K. Sutter ist Geschäftsführer der ATE Antriebstechnik und Entwicklungs GmbH, Leutkirch.

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