Motoren Torquemotoren als Direktantriebe auch für höhere Drehzahlen

Redakteur: Karl-Ullrich Höltkemeier

Moderne vektorgeregelte Frequenzumrichter in Kombination mit hochauflösenden Gebersystemen ermöglichen den Einsatz von Torquemotoren. Dabei spielt nicht nur das Drehmoment eine große Rolle, sondern die Motoren müssen häufig auch für höhere Drehzahlen ausgeführt werden. Der folgende Beitrag gibt einen kurzen Einblick in die Torquemotorentopologie und beschreibt anhand von Beispielen die entsprechenden Anwendungen.

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Ganz gleich in welche Branche man schaut, Werkzeugmaschinen, Kunststoffverarbeitungsmaschinen, Papiermaschinen etc., vom Antriebssystem wird zunehmend eine höhere Genauigkeit und Dynamik verlangt. Viele Produktionsmaschinen fordern dabei hohe Drehmomente bei relativ kleinen Drehzahlen. Direktmotoren, die sogenannten Torquemotoren, welche direkt auf die Antriebswellen der Maschinen, ohne Zwischenglieder, wie Getriebe, Riemen und Kupplungen montiert werden, können diese Anforderungen erfüllen.

Direkte Antriebstechnik: Torquemotoren mit vielen Vorteilen

Ein Torquemotor ist ein hochpoliger Motor, der durch die hohe Polzahl das hohe Drehmoment liefert. Dabei ist zunächst einmal unabhängig, welche Motortopologie gewählt wird. Bei kleinen Polzahlen (2p<20) sind die Motoren sowohl in Synchron- (Bild 2) als auch in Asynchrontechnik (Bild 1) verfügbar. In letzterer Technik sind die Antriebe sehr robust und hervorragend feldschwächbar.

Asynchrone Torquemotoren sind in den Statorpaketaußendurchmessern bis 750 mm vorhanden. Werden andere Durchmesser angefragt, so werden die Antriebe kundenspezifisch und individuell ausgelegt.

Größere Polzahlen (2p>20) werden ausschließlich in Synchrontechnik gebaut. Die Drehmomentdichte und die Wirkungsgrade sind in dieser Topologie sehr hoch. Für extrem hohe Drehmomente und moderate Drehzahlen werden Polzahlen von über 100 projektiert.

Aufbau der synchronen Antriebe

Bei den Statoren gibt es wicklungstechnisch die beiden Varianten „Verteilte Wicklung“ (Bild 3) und „Konzentrierte Wicklung“ (Bild 4). Die Spulen müssen in der verteilten Wicklung innerhalb der Polteilung liegen. Dadurch werden hohe Nutzahlen im Stator benötigt, die bei hohen Polzahlen geometrisch nicht mehr zu realisieren sind.

Deshalb geht ATE bei den sehr hohen Polzahlen auf die konzentrierte Wicklung über. Die Spulen liegen hierbei über einem Zahn. Die axialen Wicklungsenden werden dadurch sehr kurz gehalten und das effektive Motorvolumen steigt an.

Bei beiden Wicklungsvarianten werden die Wicklungen mit Wärmeleitharze vergossen und die axialen Wicklungsköpfe werden mitgekühlt ,die Ausnutzungen der Maschinen steigen somit an.

Die Statoren sind mit einer sehr hohe Kupferfüllung in den Nuten ausgestattet, um die Kupferverluste möglichst klein zu halten. Schnelldrehende Torqueantriebe erhalten entsprechend hochwertige Bleche, um die Wirkungsgrade zu maximieren. Die Permanentmagnetrotoren gibt es in den Ausführungen als Innenläufer (Bild 2) oder als Außenläufer (Bild 6).

Die Außenläufertorquemotoren erreichen sehr hohe Maximaldrehmomente, die jedoch nur kurzzeitig zur Verfügung stehen. Da die Statoren innen liegen, reduzieren sich die Kühloberflächen und die Dauerdrehmomente nehmen ab.

Motoren mit optimiertem Reluktanzmoment (Cogging)

Bei der Auslegung der Torquemaschinen wird bei ATE auf die Minimierung der Oberwellen-reluktanzmomente intensiv geachtet. Sowohl die Statornutschrägung bzw. Magnetpol-schrägung als auch andere Maßnahmen werden realisiert. Zahlreiche Untersuchungen im hauseigenen Prüffeld sind hierfür durchgeführt worden.

Auch nutenlose Torquemaschinen wurden bereits gebaut. Die Spulen befinden sich auf einem Träger und die magnetischen Luftspalte sind groß. Die Reluktanzmomente werden dadurch sehr stark abgedämpft.

Umfangreiches Torquemotorenprogramm, auch für höhere Drehzahlen

In den Abmessungen Stator Ø 21 mm (100 000 min-1) bis Ø 580 mm (5000 Nm, 2000 min-1) und den Polzahlen von 2 bis 138 können die Motoren ausgelegt und geliefert werden. Dabei kann jede beliebige Geometrie und Polzahl gebaut werden. Die Bleche können auf der hauseigenen Laserschneidanlage geschnitten werden. Prototypen sind somit innerhalb sehr kurzer Zeit herstellbar. Häufig werden die Magnete direkt auf die Wellen montiert. Je nach mechanischen Anforderungen (je nach Drehzahlabhängigkeit) sind die rotierenden Systeme mit einer Armierung zu bestücken.

Die Anwendung bestimmt die Art des Direktantriebes

Die Torquemotoren finden häufig ihre Anwendungen in den mehrachsigen Werkzeug-maschinen. Dort werden heute die Achsen direkt angetrieben. Rundtische verwenden ebenfalls Torqueantriebe in der Ausführung als Außenläufer bzw. Innenläufermotor. In Werkzeugmaschinen gibt es sehr viele weitere Anwendungen für Spezialantriebe. Achsen müssen auch in der Robotik bewegt werden.

Im Bereich der Schwerzerspanung werden sie als Hauptspindelantriebe für das Drehen bzw. Fräsen verwendet. Hochdrehmomentanwendungen gibt es auch in der Prüfstandstechnik.

Im Bereich der Windkrafttechnik sind Torquemotoren als langsamlaufende Kleingeneratoren im Einsatz. Auch in der Druckmaschinenindustrie zur Steigerung der Effizienz verwendet man heute Direktantriebe. Schnelle Antriebe mit sehr geringen Trägheitsmomenten werden in der Stanztechnik eingesetzt. Die Motoren können häufig in den Antriebsstrang integriert werden. Dort besitzt ATE sehr große Erfahrungen.

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