Den Fluss verstärken

Elektro- oder Hybridfahrzeugbauer stellen hohe Ansprüche an Direktantriebe: Das Verhältnis Leistung zu Gewicht soll ebenso hoch sein wie der Wirkungsgrad. Doch haben heutige Motoren einen technischen Stand erreicht, der kaum noch Verbesserungen zulässt. Dass es doch geht, beweist das Unternehmen INA – Drives & Mechatronics mit einem neuen Magnetsystem, das den magnetischen Fluss im Motor um 30% erhöht. Davon profitiert jetzt auch die Werkzeugmaschinen-Industrie.

Direktantriebe haben sich in den letzten 20 Jahren vom Spezialmotor für Einzelanwendungen zum Serienprodukt entwickelt. Schritt für Schritt wurde die Technologie optimiert, und heutige marktübliche Motoren haben einen technischen Stand erreicht, der kaum mehr in großen Würfen zu verbessern ist. Ein Limit besteht noch in Drehzahlbeschränkung durch Wirbelstromverluste im Motor. Immer, wenn sich ein Magnet an einer Spule vorbeibewegt oder ein Strom durch die Spule fließt, erzeugt das magnetische Feld einen Strom, der der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt. Konkret bedeutet dies, die Eisenteile des Motors erwärmen sich. Dies ist vergleichbar mit der Wirbelstrombremse einer Straßenbahn. Bewegungsenergie wird in Wärme umgesetzt. Der Motor wird dadurch zusätzlich thermisch belastet. Grobe Eckwerte sind bei konventionellen Motoren etwa 150 Hz und bei High-Speed-Systemen 300–700 Hz. Berechnet wird dieser Wert über die Drehzahl pro Sekunde (n) und die Polpaarzahl (2p) des Motors (f = n * 2p).

Magnetsystem im neuen RKI-Motor

Betrachtet man den von INA Drives & Mechatronics (IDAM) angebotenen Standardmotor RI und vergleicht ihn mit der neuen Serie RKI, fällt auf, dass die Oberflächenmagneten am Rotor verschwunden sind. Der neue RKI-Rotor besteht aus einem geblechten Stahlpaket, in dem viele Magnete eingebettet sind. Man spricht hier auch von einem Magnetsystem. Dieses bündelt den magnetischen Fluss (B) und erzeugt ca. 30 % mehr „B“ als bei vergleichbaren Oberflächenmagneten. Schaut man sich nun die Formel an, mit der die erzeugte Kraft in einem Motor berechnet werden kann, wird klar, dass die 30 % mehr magnetischer Fluss (B) direkt proportional in die erzeugte Kraft eingehen. Man kann von der gleichen Strombelastbarkeit (I) und Spulenlänge (l) ausgehen (F = B * I * l).

Es zeigt sich also, dass lediglich durch Tausch des Rotors bis zu 30 % mehr Moment aus einem Motor (Stator + Rotor) generiert werden kann. Dieses zusätzlich gewonnene Moment hat Einfluss auf die Gegenspannung und somit auf die Drehzahlanpassung des Gesamtsystems.

Stärkerer Draht für die Wicklung

Immer wenn sich ein Magnet an einer Spule vorbei bewegt, induziert das magnetische Feld eine Spannung in der Spule. Die Höhe dieser Spannung ist von der Geschwindigkeit des Magneten abhängig. Je höher die Relativgeschwindigkeit zwischen beiden ist, also je schneller sich das Feld ändert, umso größer wird die induzierte Spannung. Das Problem dieses Effekts besteht darin, dass es bei hohen Gegenspannungen nicht mehr möglich ist, einen Strom in den Motor einzuprägen. Es kommt in diesem Fall meist zu starken Schwingungen, bevor die Achse aus der Regelung fällt.

Der Zeitpunkt, zu dem dieser Effekt einsetzt, ist maßgeblich von zwei Werten abhängig: von der Zwischenkreisspannung des Umrichters und von der Induktivität/Gegenspannungskonstante des Motors. Die Zwischenkreisspannung beträgt meist 540–600 V in Europa und ist vom Umrichter-Fabrikat abhängig. Das bedeutet, die einzige Möglichkeit, die Drehzahl eines Motors zu verändern, ist die Wicklung. Durch Verarbeitung eines stärkeren Drahtes verringert sich die Induktivität des Motors. In etwa dem Maße, in dem die Induktivität sinkt, steigt dann die benötigte Stromstärke des Motors an.

Jedes System wird auf bestimmte Stromdichten in der Wicklung ausgelegt. Um das Arbeitsprinzip weiterhin sicherzustellen, wird z.B. nicht ein Ampère durch 50 Windungen mit 1 mm² geschickt, sondern es werden zwei Ampère durch 25 Windungen 2 mm² geschickt. Somit bleibt die Stromdichte innerhalb des Motors gleich.

Geringere Verluste, weniger Wärme

Ein direkter Vergleich der RI- und RKI-Baureihen zeigt, dass bis zu 60 % der Verlustleistung bei gleichem abgegebenem Moment eingespart werden kann. Es entsteht weniger Wärme. Dementsprechend muss weniger gekühlt werden, was einen Vorteil darstellt, der sich direkt in den Betriebskosten wiederfindet.

All diese Vorteile prädestinieren die RKI-Serie für Einsätze in langsam und schnell drehenden Rundachsen und Spindelanwendungen mit hoher Leistung. Durch die Leistungssteigerung ist ein Downsizing oder Upgrade der Anwendung möglich, ohne grundlegend die Konstruktion zu verändern.