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Neu: PDF-Flyer "Elektrische Antriebstechnik: Vorschau September – Dezember 2010"

Direktantriebe zeichnen sich durch eine möglichst weitgehende Vermeidung von mechanischen Übertragungselementen zwischen Motor und Arbeitsmaschine aus. Verschleiß, Geräusch, Wartungsaufwand und der Einfluss mechanischer Lose wird bei Direkcantrieben deutlich verringert. Die erhöhte Systemsteifigkeit bei Direktantrieben ermöglicht den Einsatz hoch dynamischer Regelungen für sehr genaue Positionieraufgaben, hohe Beschleunigung und dadurch verkürzte Taktzeiten. Die dafür entwickelten Sondermotoren zumeist mit Permanentmagneterregung zeichnen sich durch hohes Drehmoment (Torque-/Sektor-Motor) bzw. hohe Schubkraft (Linearmotor) aus. Die Umrichterspeisung gestattet platzsparende hochpolige Motorkonfigurationen, die eine anwendungsspezifische Optimierung des Gesamtantriebssystem ermöglichen.

Vor- und Nachteile von Direktantrieben
Beim Direktantrieb sind elektrische Maschine und Arbeitsmaschine direkt ("starr") miteinander verbunden; die Drehzahl (Geschwindigkeit) der elektrischen Maschine ist identisch mit jener der Arbeitsmaschine. Dies gilt sowohl für rotatorische als auch translatorische Energiewandler. Vor allem bei sehr niedrigen und sehr hohen Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten bewährt sich diese Technologie, das ein zwischengeschaltetes Getriebe (mechanische Übersetzungselement) entfällt. Zumeist sind drehzahlveränderbare Antriebe im Fokus.Im Vergleich ist bei der konventionellen Antriebstechnik zwischen Motor und Arbeitsmaschine in diesen Fällen ein mechanischen Übersetzungselement erforderlich. Trotzdem hat man als Vorteile dieser konventionellen Technik das kostengünstige "Baukastensystem", bestehend aus Norm- oder Transnorm-Asynchronmaschine bei Netz-oder Umrichterspeisung, und ausgereiften Getrieben. Zwecks Drehzahlanpassung bei Arbeitsmaschinen mit sehr KLEINEN Drehzahlen oder sehr HOHEN Drehzahlen sind aber bereits Sonderlösungen erforderlich.

Beim Direktantrieb entfällt das mechanische Übertragungselement "Getriebe" mit folgenden Vorteilen: die Getriebekosten entfallen, es ist kein Öl erforderlich, was Vorteile für den Umweltschutz und "reine" Arbeitsprozess bringt. Es bedarf einer geringeren Wartung (kein Ölwechsel), der Antrieb ist verschleißarm, es treten keine Getriebeverluste auf (Wirkungsgrad !), das Geräusch (z. B. Zahneingriffsfrequenz !) ist geringer, mechanische Lose ("Zähneklappern") entfallen, die Antriebsüberlastbarkeit wird erhöht, da die Dimensionierung des Getriebes nach dem hohen Stoßkurzschlußmoment des Motors erfolgen muss, und Dichtheitsprobleme (Ölaustritt) entfallen. Eine kompaktere Bauweise (daher volumensparend)ist möglich, die Bauteilezahl verringert sich, und es lässt sich eine leichtere Bauweise durch die Einsparung von Massen realisieren. Der Entfall mechanischer Übertragungselemente führt zu einer höheren mechanischen Steifigkeit des Systems, d.h. zu höheren mechanischen Eigenfrequenzen. So führen kurze Baulängen zu einer hohen Drillsteifigkeit. Bei hohen Drehzahlen führt der Einsatz von Schnellläufern zu hoher Leistung bei gleichem Bauvolumen ("Leistung aus Drehzahl"), so dass hohe Leistungsdichten möglich sind. Weiter ergeben sich durch den Entfall von Komponenten völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten: Der Anwender kann den Antrieb optimal in seine Arbeitsmaschine einbauen. Dadurch sind auch zusätzlicheFunktionalitäten ohne großen Mehraufwand möglich (z.B. erhöhte Manövrierfähigkeit bei Schiffen durch Schraubendirektantrieb).Aber auch für geregelte Antriebe ergeben sich weitreichende Vorteile. Die höheren Eigenfrequenzen erlauben eine höhere Dynamik der Regler, was vor allem bei Servoantrieben von großer Bedeutung ist: rascheres Anfahren der Position und genaueres Positionieren. Deshalb setzt sich bei Vorschubantrieben der Linearmotor gegenüber dem Kugelgewindeantrieb mehr und mehr durch.

Als "technische Treiber" für die Direktantriebestechnologie sind zu nennen:a) die moderne IGBT-Umrichtertechnik, die hohe Ausgangsfrequenzen bei hoher Leistung ermöglicht,b) die Technologie der Selten-Erd-Magnete mit hohem Energieinhalt, erträglichen Kosten und ausreichender Temperaturbeständigkeit bis etwa 150°C (zumeist NdFeB). Ob die Technologie der Metallpulverpreßteile, die die Gestaltung dreidimensionaler flussführender Strukturen erlaubt und auch bei hohen Frequenzen relative kleine Wirbelstromverluste aufweist, wird die Zukunft zeigen.Speziell für Schnellläufer ist Technologie der Glasfaser- und Kohlefasertechnik für mechanisch hochwertige Befestigung von Oberflächenmagneten zwingend erforderlich, sowie neue Lagertechniken wie Keramikkomponenten in Hybridlagern oder die zukunftsweisende Technologie der Magnetlager.

Zusammenfassung
Direktantriebe bei sehr hohen/ sehr niedrigen Drehzahlen sind Spezialantriebe, deren Einsatz (Abweichen vom Baukastensystem) gerechtfertigt sein muss.Direktantriebe ermöglichen Kompaktbauweise, Bauteileinsparung, neue prozessoptimierte Antriebskonzepte bei gleichzeitiger Verbesserung von Betriebseigenschaften wie Wirkungsgrad, Wartungsaufwand, Systemdynamik, die ihren Einsatz rechtfertigen. Langsam- und Schnellläufer stellen zwei unterschiedliche Extremfälle des Direktantriebs dar, mit teilweise sehr unterschiedlichen Bemessungs- und Einsatzmerkmalen.Dank der ständigen Weiterentwicklung von Werkstoffen, Umrichter- und Maschinenkonzepten werden Direktantriebe in Zukunft noch an Bedeutung gewinnen.(Quelle: Fachveranstaltung Direktantriebe, Prof. Binder, TU-Darmstadt)

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