Antriebstechnik Wie Torquemotoren noch mehr leisten können

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Torquemotoren punkten schon heute mit vielen Vorteilen, darunter geringen Kosten und niedrigem Energieverbrauch. Eine Neuentwicklung zeigt jetzt: Da geht noch mehr.

Die wichtigsten Betriebskennzahlen eines Elektromotors sind Drehzahl und Drehmoment. Viele Anwendungen brauchen niedrigere Betriebsdrehzahlen, als die, bei denen die üblichen Motoren noch mit akzeptabler Effektivität arbeiten können. Hier wird meistens ein mechanisches Getriebe zwischen Motor und Last geschaltet, um die zu hohe Drehzahl der Motorwelle an die gewünschte Drehzahl der Last umzuwandeln.

Ein anderer Weg ist der Einsatz langsam drehender Motoren, die in der Lage sind, trotz ihrer niedrigen Betriebsdrehzahl genügend Drehmoment (englisch „torque“) zu erzeugen. Diese als Torquemotoren bekannten Elektromaschinen haben sich am Markt gut etabliert. Sie sind im Wesentlichen spezielle Permanentmagnet-Synchronmotoren. Ihr Hauptvorteil ergibt sich aus dem Wegfall des Getriebes und bedeutet so auf Systemebene eine erhebliche Reduzierung von Kosten, Gewicht, Baugröße, Energieverbrauch, Betriebsgeräusch und Wartungsaufwand sowie eine deutliche Verbesserung der Verfügbarkeit. Eine Neuentwicklung mit wesentlich verbesserten Eigenschaften macht den Einsatz von Torquemotoren jetzt noch attraktiver.

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Viele Polpaare vorteilhaft

Die Drehzahl eines Synchronmotors hängt von der Frequenz der speisenden Spannung und von einer konstruktiven Kennzahl ab, der so genannten Polpaarzahl. Diese Kennzahl gibt die Anzahl der Paare von magnetischen Polen innerhalb der elektrischen Maschine an. Die Polpaarzahl ist in den meisten Motoren mit der Gestaltung der Wicklung und des Magnetkreises beim Design bereits festgelegt und im Betrieb nicht veränderbar. Für schnell laufende Motoren wählt man am besten eine zweipolige Konstruktion (Polpaarzahl = 1). Durch die Erhöhung der Polpaarzahl kann die Drehmomentdichte vergrößert werden. Für einen Betrieb mit langsamen Drehzahlen und hohen Drehmomenten sind deshalb Motoren mit vielen Polpaaren besonders vorteilhaft.

Die meisten Motoren am Markt gehören zu der Sorte „Radialflussmaschine“. Hier verlaufen die geschlossenen magnetischen Feldlinien in der Drehebene, senkrecht zur Drehachse. Bei den so genannten „Axialflussmaschinen“ dagegen verläuft der magnetische Hauptfluss in Ebenen parallel zur Drehachse, also axial. Ganz gleich, welche Ausführung man nimmt, lässt sich die Polpaarzahl aber nicht beliebig erhöhen.

Transversalflussmotoren (von lat. transversus „quer“) mit ihrem dreidimensional laufenden Flusslinien können dagegen eine ungewöhnlich große Anzahl von Polpaaren haben. Hier wird die magnetisch leitende Eisenkonstruktion um die Wicklungsspulen gebaut. Diese Motorbauweise erlaubt, unabhängig von der Polpaarzahl, den Einsatz einfacher, aus Ringwicklungen bestehenden Statorwicklungen mit hohem Füllfaktor und geringem elektrischem Widerstand. Dieser geringe Wicklungswiderstand ist nötig, um die ohmsche Verlustleistung im Motor zu senken und damit einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Vor allem bei niedrigen Drehzahlen lässt sich das Dauerdrehmoment so erheblich steigern.

Fertigungsprozess optimiert

Die Transversalflussmaschinen (TFM) haben sich trotz der oben genannten Vorteile nicht stark verbreiten können, ihr aktueller Einsatz ist zurzeit noch auf Motoren für Spezialaufgaben begrenzt. Ein wichtiger Grund dafür ist, dass die üblichen Statorkonstruktionen für TFM durch hohe Streuflüsse und hohe Wirbelströme gekennzeichnet sind, die eine starke Absenkung des Wirkungsgrades mit sich bringen. Die Optimierung der Konstruktion ist alles andere als einfach, da der Flussweg bei TFM im Gegensatz zu Radial- und Axialflussmaschinen dreidimensional und sehr komplex ist. Deshalb ist der Aufwand, den Flussweg zu berechnen und zu optimieren, viel größer. Das TFM Konzept ist zwar seit Jahrzehnten bekannt, die meisten Konstruktionen bestanden jedoch aus vielen kleinen Teilen, was die Motormontage enorm erschwert und einen sicheren Betrieb im industriellen Umfeld verhindert haben.

Die amerikanische Firma Electric Torque Machines (ETM) mit dem Hauptsitz in Arizona hat das Konzept „Transversalflussmaschinen“ wesentlich weiterentwickelt. Bereits 2008 hat ETM mit der Entwicklung von proprietärer Berechnungssoftware und integrierten Modellierungstools begonnen. Es dauerte mehrere Jahre bis die gewünschte hohe Genauigkeit der Berechnungen erreicht wurde. Um die Motoreigenschaften zu optimieren und gleichzeitig eine effektive industrielle Herstellung zu ermöglichen, benötigte die Firma weitere Jahre. Dabei wurden neue Fertigungsprozesse, Werkzeuge und Montagevorrichtungen entwickelt, erprobt und freigegeben. In den letzten zwei Jahren hat sich dies zu einer hochautomatisierten Montage weiterentwickelt, die eine kostenoptimierte Fertigung ermöglicht.

Die Motorkonstruktion selber wurde durch jahrelange Arbeit kontinuierlich weiterentwickelt. Eine große Zahl von geschickten Designänderungen führte zu teilweise radikalen Verbesserungen. Viele dieser Innovationen konnten auch patentrechtlich geschützt werden. In den letzten drei Jahren gelang es der Firma die Drehmomentdichte des Motors sogar um weitere 30 % zu verbessern.

Das Ergebnis ist ein Motorkonzept, das den Bau von Torquemotoren in einem breiten Leistungsbereich mit hervorragenden Eigenschaften erlaubt. Das Bild zeigt die Konstruktion einer Phase im Motor. Erkennbar ist die hohe Zahl von magnetischen Polen und die einfache Kupferwicklung mit sehr niedrigem Wicklungswiderstand. Im Vergleich zum Stand der Technik zeichnen sich diese Motoren durch eine viel höhere Drehmomentdichte, einen ruhigen, leisen Lauf und einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aus. Durch den breiten operativen Drehzahlbereich von extrem niedrigen bis zu mittleren Drehzahlen ist ETM zusätzlich in der Lage, viele unterschiedliche Motor-Getriebe-Kombinationen mit einem einzigen Torquemotor zu ersetzen, was die Lagerhaltung der Maschinenbauer stark vereinfacht. Auf ähnliche Weise können auch weitere geschwindigkeitsreduzierende Teile wie Ketten und Riemen eliminiert werden.

Torquemotor

Torquemotoren – Stärken, Einsatzgebiete und typische Optimierungskriterien

Vorteilhafte Anwendungen des Motors

Ein hocheffizienter Antrieb ohne Getriebe ist praktisch für jede Anwendung vorteilhaft. Es gibt jedoch Anwendungen die von der neuen Motorfamilie besonders profitieren.

Ein guter Wirkungsgrad bedeutet selbstverständlich die Reduktion des Energiebedarfs. Neben der Umweltfreundlichkeit kann man so auch die Betriebskosten senken. Bei batteriebetriebenen Anwendungen ist es jedoch noch wichtiger, dass die möglichen Betriebsstunden zwischen zwei Aufladungen erhöht werden können. Deshalb ist der vorgeschlagene Motor besonders für die Elektromobilität vorteilhaft, vom E-Scooter bis zu größeren Fahrzeugen. ETM hat bis jetzt von 100 W bis über die 100 kW Grenze hinaus die Leistungsfähigkeit dieser Motoren nachgewiesen.

Der andere Effekt des guten Wirkungsgrads ist die Reduktion der Wärmeentwicklung im Motor. Dadurch wird die Motorkühlung einfacher. So kann man bei einigen Anwendungen auf eine aufwendige Wasser- oder Ölkühlung verzichten. Die niedrige Motortemperatur ist besonders vorteilhaft bei Antrieben im flammbaren oder explosionsgefährdeten Umfeld. Sie hat aber auch für Antriebe Vorteile, bei denen sonst aufwendige konstruktive Maßnahmen notwendig wären, um die Berührung der heißen Oberfläche zu verhindern.

Andere Anwendungen profitieren besonders von weiteren guten Eigenschaften des Motors, wie vom ruhigen und leisen Betrieb oder von der guten Dynamik. Die größten Vorteile dieser Technologie genießen jedoch Anwendungen, die ein hohes Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen erfordern, da diese Motoren typischerweise eine 3 bis 8-fache Drehmomentdichte bei gleicher Motorgröße erreichen können. Insgesamt hat ETM auf vielen Gebieten, wie bei Pumpen, Kühltürmen, High Volume Low Speed (HVLS) Ventilatoren, verschiedenen Förderanlagen, Türantrieben und bei den bereits erwähnten E-Scootern die Vorteile des neuartigen TFM-Antriebs auch praktisch nachweisen können. (ud)

* Dr. András Lelkes, Ingenieurbüro Lelkes, Nürnberg, Chuck Ensign, SVP, Strategic Alliances, Electric Torque Machines, Inc., Flagstaff/Arizona

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