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 mechanisches 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" Arbeitsprozesse 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 zusätzliche Funktionalitäten 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)

Kleinantriebe

Die wirtschaftliche Bedeutung elektrischer Kleinantriebe (fractional horsepower drive), deren obere Leistungsgrenze bei etwa 1 kW liegt, ist erheblich. Allein die rotierenden Kleinmotoren unter 750 W, d. h. weder Magnete und Linearmotoren noch Stromrichter und mechanische Übertragungselemente einbezogen, erzielten nach der Statistik des Verbandes Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. (ZVEI) 2005 mit geschätzten 2,49 Milliarden EURO einen höheren Produktionswert als alle anderen Produktgruppen der Antriebstechnik (gesamter Produktionswert einschließlich Stromrichter für elektrische Antriebe ca. 6,76 Milliarden EURO). Das Bild 1.1 zeigt die Entwicklung des Produktionswertes von 1995 bis 2005. Darin sind entsprechend der ZVEI-Statistik Drehstrommotoren unter 750 W, die 2004 einen Produktionswert von 196 Millionen EURO erreichten, nicht berücksichtigt.

Eine Studie der Marktforscher von Frost und Sullivan rechnet für das Jahr 2006 mit einem Umsatz an Kleinstmotoren (Leistungen unter 700 W) für Europa in Höhe von 5,4 Milliarden Dollar, d. h. mit einer Steigerung gegenüber 1999 um fast 23 Prozent. Danach wird der Großteil der Kleinstmotorenumsätze in Deutschland erzielt. Während der Markt der Wechselstrommotoren zunehmend in Sättigung gerät, sind in steigendem Maße bürstenlose Motoren gefragt (siehe auch Abschnitt 2.2.1.1).

Kennzeichen elektromagnetischer Kleinantriebe ist die außerordentliche Vielfalt ihrer Einsatzgebiete. Werden sie in Konsumgütern verwendet, sind bei zum Teil sehr großen Stückzahlen (> 1 Millionen Stück pro Jahr) die Fertigungskosten so gering wie möglich zu halten. Diese Gegebenheiten erfordern, dass kostengünstige Kleinantriebe (low-cost drives) nicht nur die elektromechanischen Bedingungen des speziellen Anwendungsfalles erfüllen, sondern auch konstruktiv möglichst gut sowohl an den anzutreibenden Mechanismus (Gerät) als auch an das wirtschaftlichste Fertigungsverfahren angepasst sein müssen. Typische Bedingungen sind zum Beispiel:

• 
keine überzogenen Anforderungen an Leistungsgewicht und Wirkungsgrad; 

• Integration in Gerät bzw. Übernahme von Gerätefunktionen durch Motorteile (z. B. ist Motorlagerschild gleichzeitig ein Teil eines Pumpengehäuses);
• 
weitgehend automatische Fertigung in Großserie:
  • Stanz-Biege-Füge-Technik; 

  • Verwendung handelsüblicher Bauteile (keine Sonderausführungen z. B. für Magnete, Lager, Kondensatoren), Ständer- und Läuferpakete aus unlegiertem Blech (Weißblech, oft ungeglüht eingesetzt), Ferritmagnete;
  • 
grobe Stufung der Abmessungen bei Motorfamilien (Außen-, Innendurchmesser, Paketlänge), großer Luftspalt;
  • 
geringer Nutfüllfaktor, möglichst einfache Wicklung, Backlackdraht; 

  • möglichst wenig gestufte Wellen, Gleitlager;
  • 
möglichst einfache Elektronik.

Außer kostengünstigen Antrieben gibt es hochwertige Kleinantriebe (high-grade drives), deren Ausführungen durch besondere, oft extreme Anforderungen bestimmt werden: 


• optimale elektromechanische und konstruktive Anpassung an das Gerät;
• 
Kleinserie: spanabhebende Bearbeitung, Zusammenfügen durch Schrauben, hochwertige Bauteile: Dynamoblech oder verlustarmes Spezialblech, Seltenerd-Magnete (SmCo, zunehmend NdFeB), Wälzlager; 

• gegebenenfalls Vier-Quadranten-Betrieb; 

• besondere Eigenschaften bezüglich Leistungsgewicht, Wirkungsgrad (geringer Energiebedarf, geringe Erwärmung), Drehzahl, Rundlauf, Gleichlauf, Dynamik (geringe mechanische und/oder elektrische Zeitkonstante), Positionierung, Überlastbarkeit, Lebensdauer, Robustheit, Wartungsfreiheit, Geräusch- und Schwingungsarmut, Elektromagnetische Verträglichkeit, Unempfindlichkeit gegenüber ungünstigen Umweltbedingungen (Temperatur, Schwingungen, Beschleunigungen, Druck, Verschmutzung (staub-, wasser-, gasdicht), elektrische und magnetische Felder).

Infolge dieser unterschiedlichen Bedingungen entwickelte sich im Laufe der Zeit eine fast unübersehbare Ausführungsvielfalt, die sich durch neuere Entwicklungen der Mikro- und Leistungselektronik sowie der Werkstoffe, und zwar insbesondere der Magnetwerkstoffe ständig erweitert.
Auszug aus: 
Handbuch Elektrische Kleinantriebe 


Herausgegeben von Hans-Dieter Stölting, Eberhard Kallenbach 
Carl Hanser Verlag 
ISBN 3-446-40019-2