Wirkungsgrad

So steigern Sie den Wirkungsgrad von Antriebskomponenten

| Autor / Redakteur: Dr. sc. Nat. Urs Kafader* / Jan Vollmuth

Wer den Wirkungsgrad eines Antriebssystems optimieren will, sollte zuerst den Blick auf die Mechanik werfen.
Wer den Wirkungsgrad eines Antriebssystems optimieren will, sollte zuerst den Blick auf die Mechanik werfen. (Bild: ©Sashkin - stock.adobe.com)

Soll die Effizienz einer Anwendung optimiert werden, stellt sich häufig die Frage nach dem Motor mit dem höchsten Wirkungsgrad. Um Antwort zu geben, sollte die Fragestellung auf den gesamten Antriebsstrang ausgedehnt werden.

Diese Frage ist nicht nur unter Konstrukteuren ein Dauerbrenner: Welcher Motor bietet den höchsten Wirkungsgrad? Sie stellt sich besonders bei Anwendungen mit eingeschränkter Energieversorgung wie zum Beispiel batteriebetriebenen Werkzeugen oder Satelliten, die über ein Solarpanel versorgt werden.

Den gesamten Antriebsstrang betrachten

Derart formuliert greift die Frage zu kurz. Denn der Wirkungsgrad eines Motors hängt letztendlich von den einzelnen Komponenten seines Antriebsstrangs ab. Aus diesem Grund sollte die Fragestellung auf den gesamten Antriebsstrang ausgedehnt werden und auch Regler, Motor, Getriebe und weitere mechanische Elemente berücksichtigen.

Einen ersten Eindruck vermittelt die Tabelle links: Sie enthält ungefähre Angaben zum typischen Wirkungsgrad von Energiekonvertern. Die Werte zeigen, das vor allem mechanische Komponenten großen Einfluss auf den Wirkungsgrad haben. Hohe Reibung in der Mechanik konsumiert viel der vorhandenen Leistung. Daher macht es Sinn, zuerst den Blick auf die Mechanik zu werfen, möchte man den Wirkungsgrad eines Antriebssystems optimieren.

Der Wirkungsgrad ist ein relativer Parameter

Ebenfalls zu beachten: Gleichstromantriebe werden häufig mit fest vorgegebener Spannung betrieben; deshalb geht es nicht darum, den Gesamtwirkungsgrad zu optimieren. Der Wirkungsgrad ist ein relativer Parameter, der die Verluste bezüglich der Eingangsleistung beschreibt. Bei vorgegebener Spannung geht es vielmehr darum, den Stromverbrauch (als absoluten Parameter) zu minimieren. Nutzt man die vorhandene Spannung gut aus, verkleinert sich der benötigte Strom – und damit die Nutzungsdauer einer Akkuladung.

Zurück zur Mechanik. Wer hier den Wirkungsgrad verbessern möchte, sollte folgende Regeln für die mechanische Umformung beachten:

  • Verwende eine Mechanik mit tiefer Reibung oder vermeide sie ganz.
  • Verwende Komponenten mit Rollreibung (Reibkoeffizient < 0,01) anstelle von Gleitreibung (typ. Reibkoeffizienten 0,1 bis 0,4). Eine Kugelumlaufspindel hat z.B. eine bedeutend kleinere Reibung als eine metrische Gleitspindel oder eine Trapezspindel. Andererseits ist eine Kugelumlaufspindel nicht selbsthemmend; sie benötigt Energie, eine Position zu halten. Um den minimalen Energieaufwand zu berechnen, sollte man den gesamten Arbeitszyklus betrachten.
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Die Regeln für Planeten- und Stirnradgetriebe:

  • Verwende Getriebe mit wenig Stufen.
  • Verwende Getriebe mit Drehmomentgrenzen, die gerade eben für die jeweilige Anwendung ausreichen. Denn Getriebe, die wenig belastet sind, haben einen sehr tiefen Wirkungsgrad.
  • Bezüglich Wirkungsgrad kann ein größerer Motor als Direktantrieb (ohne Getriebe) Vorteile aufweisen gegenüber einer Motor-Getriebe-Kombination. Allerdings besteht die Gefahr, dass der Direktantrieb größer, schwerer und teurer sein wird.

Auch für Motoren gibt es einige hilfreiche Regeln:

  • Für einen hohen Wirkungsgrad lass den Motor bei hohen Drehzahlen laufen (einige tausend min-1). Dies geht nicht in allen Anwendungen, womit sich wieder die Frage nach der Verwendung eines Getriebes stellt.
  • Wähle keinen zu großen Motor, der zu nahe am Leerlauf betrieben wird.
  • Wähle die richtige Wicklung. Verwende die Wicklung, welche die vorhandene Spannung am besten ausnützt, um die verlangte Drehzahl unter Last zu erreichen; dies ist die Wicklung, welche am wenigsten Strom benötigt. Oft ist dies nicht die Wicklung, welche dieselbe Nennspannung aufweist wie die vorhandene Spannung.

Auch Kontroller brauchen Regeln

Last but not least einige Regeln für Kontroller, die denjenigen für die Getriebe ähneln: Vernünftig belasten und nicht bei zu kleinen Strömen betreiben. Passe das Stromvermögen der Endstufe an die benötigten Motorströme an. Es bringt nichts, einen Regler mit zu großem Stromvermögen zu wählen.

Und schließlich: Benütze die volle Versorgungspannung. Dies verkleinert den benötigten Strom und spart Kosten; Das Netzgerät oder die Batterie wird kleiner, der Kontroller wird kleiner, der Aufwand für die Kabelschirmung sinkt. Oder wie es ein Kollege des Autors formulierte: Spannung ist gratis – Strom kostet. (jv)

* Dr. sc. Nat. Urs Kafader ist Schulungsleiter bei der Maxon Motor AG

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