Neue Motorentechnologie Torque-Motoren mit höchstem Wirkungsgrad

Von Andreas Leu

Schon beinahe ein Perpetuum mobile. Mit bis zu 98 Prozent Wirkungsgrad ist die Leistung der EMF-Torque-Motoren von Crameda mit Sitz im sankt-gallischen Degersheim beeindruckend. Wie diese erreicht wird, erklärt Winfried Liebold, Geschäftsführer des Bereiches Antriebstechnik bei Crameda.

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Äusserlich besteht kein Unterschied zu «herkömmlichen» Torque-Motoren.
Äusserlich besteht kein Unterschied zu «herkömmlichen» Torque-Motoren.
(Bild: Crameda)

Aktuelle Technik: Herr Liebold, die Technologie der Torque-Motoren, wie EMF sie baut, ist nicht neu. Die ersten Modelle kamen ca. 2009 auf den Markt. Was unterscheidet die EMF-Torque-Motoren von denjenigen von den Wettbewerbern? Welche spezifischen Eigenschaften weisen diese Antriebe auf?

Winfried Liebold: Erfreulicherweise bietet die von EMF erfundene Motor-Technologie für die Kunden eine ganze Reihe von bewährten Eigenschaften, durch die Verbesserungen erzielt werden, zu nennen sind:

  • Sie besitzen den höchsten Wirkungsgrad im Markt und der reicht bis 98 % und bieten damit viel Potenzial zur CO2-Einsparung, sie liegen deutlich über dem IE4-Standard.
  • Durch diesen hohen Wirkungsgrad benötigen die Motoren keine aktive Kühlung, sie haben IC 410.
  • Bei gleicher Baugrösse lassen sich höhere Drehmomente realisieren und dieses wie beschrieben ohne aktive Kühlung. Damit können kleinere Motoren bei gleichem Drehmoment eingesetzt werden.
  • Sowohl die natürlichen Drehmomentschwankungen während einer Umdrehung als auch das Rastmoment wurden um ca. das 6-Fache gegenüber dem Wettbewerb reduziert. Sie sind somit praktisch nicht mehr existent. Damit können Positionen, Geschwindigkeiten und auch das Drehmoment viel genauer bzw. gleichmässiger geregelt werden.
  • Wir bieten die Motoren für einen Drehmomentbereich von 3 bis 10 000 Nm an.

Das hört sich beeindruckend an. Mit welcher Technologie erreicht man diese Eigenschaften?

Die EMF-Torque-Motoren gehören zu den Permanentmagnet-Synchron-Motoren, weisen aber zusätzlich eine magnetische Untersetzung auf, die sowohl verlust- als auch spielfrei ist. Es sind dadurch Getriebemotoren ohne Getriebe, das klingt zunächst verrückt, aber es funktioniert. Die Untersetzung zwischen Stator-Drehfeld und Rotor-Drehzahl erfolgt durch ein intelligentes Zusammenspiel von Magneten auf dem Rotor und der Stator-Wicklung mit den dazugehörigen Stator-Polen, ohne dass dieser zusätzlichen Bauraum benötigt. Es konnte sogar die benötigte Dauermagnetmasse um ca. 50 % verringert werden, was sich positiv auf den Ressourcenverbrauch und den Preis auswirkt. Ich möchte vielleicht zum besseren Verständnis aus praktischer Erfahrung noch ergänzen: Die EMF-Motoren haben eine hohe magnetische Polzahl, aber eine geringe gewickelte Stator-Polzahl. Wo die sonst üblichen Torque-Motoren eine Stator-Wicklung von 16 oder 32 Pole aufweisen, haben die EMF-Motoren je nach Baugrösse nur 4, 6, 8 oder 10 Pole. Dadurch sind die Kupferverluste im Stator deutlich geringer und es erklärt den hohen physikalischen Gesamtwirkungsgrad der EMF-Motoren.

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Für welche Anwendungen und Branchen sind die EMF-Motoren besonders geeignet?

Die beschriebenen Vorteile sind so umfangreich, dass damit auch die Anzahl der Anwendungen enorm zahlreich ist. Es kommen immer wieder Kunden mit Anwendungen auf uns zu, an die wir selbst gar nicht gedacht haben. Ein paar Beispiele möchte ich gerne nennen, bei denen wir einen grossen Nutzen sehen:

  • Im Aufzugsbereich haben wir den Energieverbrauch im direkten Motorvergleich zu den besten bisher eingesetzten Motoren um 20 % senken können. Dieser Vorteil ist so gross, weil im Betrieb die Motoren von Stockwerk zu Stockwerk beschleunigen und/oder abbremsen müssen. Hier wirkt der hohe Wirkungsgradunterschied, der immer mehr zunimmt, je geringer die Drehzahl wird, eindrucksvoll. Dass die Motoren keine lauten Lüfter benötigen und den Komfort beim Anfahren auch noch steigern, wird zusätzlich genutzt. Wir haben vor drei Jahren den kleinsten, leichtesten und effizientesten Antriebsmotor für Lasten bis 630 kg auf den Markt gebracht. Er wiegt komplett mit Seilscheibe und Sicherheitsbremse nur 65 kg.
  • Im WZM-Bereich können z. B. die EMF-Motoren Servomotoren-Servogetriebe-Kombinationen ablösen, durch die spielfreie Untersetzung, die sehr niedrigen Drehmoment-Schwankungen und das geringe Rastmoment kann man präzise Positionen sowie genaue Geschwindigkeiten und Drehmomente regeln.
  • Gerade die sensitive und genaue Drehmomentregelung ist für viele Wickelprozesse von enormem Vorteil.
  • Im Plastspritzmaschinenbau haben Kunden wassergekühlte Motoren gegen ungekühlte EMF-Motoren ausgetauscht. Neben der Energieeinsparung und Bauraumverkleinerung konnten sie zusätzlich Vorteile bei der Dynamik durch geringere Massenträgheitsmomente erzielen.
  • Bei Extruder-Maschinen bringt die hochgenaue Geschwindigkeitsregelung bei langsamen Vorschubgeschwindigkeiten Vorteile. Wir haben hierfür eine eigene Motorenreihe mit integriertem Axiallager im Angebot.
  • Die spielfreie Untersetzung ist für sehr genaue Positionierungen bei Drehtischen oder Positionierachsen ein Plus.
  • Eine weitere sehr interessante Anwendung sind HVLS-Kühlprozesse (High Volume Low Speed), bei denen grosse Ventilatoren hohe Kühlleistungen erzeugen. Unsere Lösung mit speziell hierfür entwickelter Motorenreihe ist ein getriebeloser Direktantrieb, mit dem höchsten Wirkungsgrad im Markt. Der Return on Investment liegt meistens unter einem Jahr.
  • Die EMF-Motoren können auch bei höheren Umgebungstemperaturen eingesetzt werden, da sie sich aufgrund des hohen Wirkungsgrades um ein Vielfaches weniger erwärmen. Sie sind also auch sehr robust und haben damit zusätzlich eine hohe Überlastsicherheit. Ich denke dabei an Warmumformmaschinen oder den Einsatz in Stahlwerken.

Crameda bietet die EMF-Torque-Motoren ohne Servocontroller bzw. Frequenzumrichter an. Welche Eigenschaften hinsichtlich Kommutierung, Regelparameter sowie der Erfassung von Strom, Drehzahl und Position müssen die Verstärker aufweisen?

Mit Beantwortung dieser Frage werden weitere Vorteile dieser Motortechnologie sichtbar.

Aber zunächst einmal, jeder Umrichter, der Permanentmagnet-Synchron-Motoren regeln kann, kann auch die EMF-Motoren regeln. Wir kennen keinen Frequenzumrichter-Hersteller für die Industrie, mit dem wir oder unsere Kunden die zuvor genannten vielen positiven Eigenschaften nicht umsetzen konnten. Wir benötigen keine speziellen Umrichter-Eigenschaften, auch nicht zur Erfassung von Strom, Drehzahl und Position. Auch die sensorlose Regelung ist sehr gut bzw. kann wie unten beschrieben in vielen Fällen sogar besser sein. Was anders ist, betrifft die Situation, dass die Umrichter für dieselbe Regelaufgabe im Vergleich zu allen anderen PM-Torque-Motoren einen 11-fach grösseren Frequenzbereich bzw. Stator-Drehwinkel zur Verfügung haben. Die EMF-Motoren besitzen eine Untersetzung von i = 11.

Beispiel Geschwindigkeitsregelung:

Standard-PM-Torque-Motor: f Welle = 3 Hz -> f Stator Drehfeld auch 3 Hz

EMF-Motor: f Welle = 3 Hz -> f Stator Drehfeld jedoch 33 Hz.

Beispiel Positionsregelung:

Standard-PM-Torque-Motor: Winkel Welle 1° entspricht einem Winkel Stator Drehfeld auch 1°.

EMF-Motor: Winkel Welle 1° entspricht einem Winkel Stator Drehfeld jedoch von 11°.

An diesen beiden Beispielen ist zu erkennen und das gilt für die Drehmomentregelung mit 6-fach geringeren Drehmomentschwankungen und Rastmoment noch mehr, dass es für den Umrichter regelungstechnisch einfacher ist, einen EMF-Motor genau zu regeln.

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