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Mechanik ade

28.09.2006 | Redakteur: MM

EPG-Getriebe und Drehstrommotor mit EPG-Läufer sind am Beginn zur industriellen Anwendung. Das EPG ist ein elektrisches Getriebe, welches einem dreirädrigen Planetengetriebe mit Hohlrad und Sonnenrad...

EPG-Getriebe und Drehstrommotor mit EPG-Läufer sind am Beginn zur industriellen Anwendung Das EPG ist ein elektrisches Getriebe, welches einem dreirädrigen Planetengetriebe mit Hohlrad und Sonnenrad vergleichbar ist. Dies soll anhand des Bildes 1 dargestellt werden. Beim konventionellen Planetengetriebe wird vom Sonnenrad die Verzahnung des Planetenrades mitgenommen. Am Hohlrad drückt sich das Planetenrad ab, wodurch eine Drehmomentenerhöhung an der Welle des Planetenträgers erfolgt. Beim Elektrischen Planetengetriebe EPG wird im EPG-Läufer (Planetenträger) vom Antriebsläufer (Sonnenrad) ein Drehfeld erzeugt, welches im Außenumfang (Hohlrad) entgegengesetzt umläuft und sich somit an den Gestellmagneten abdrückt.Die Gesetzmäßigkeiten des mechanischen Planetengetriebes können vollständig auf das elektrische Planetengetriebe übertragen werden. Beim mechanischen Planetengetriebe ist das Bauverhältnis z durch das Verhältnis der Zähnezahl des Außenrades zur Zähnezahl des Innenrades gegeben. Beim EPG ist das Bauverhältnis z durch das Verhältnis der Polzahlen außen zu den Polzahlen innen gegeben. Beim EPG ist (wie beim dreirädrigen Planetengetriebe z negativ) Anwendungsvorteile des elektrischen Getriebes Die grundsätzlichen Vorteile der elektrischen Getriebe wie Verschleiß- und Wartungsfreiheit, einfache Schaltbarkeit, hohe Drehzahlen, hohe Betriebssicherheit, Ölfreiheit, Wirkungsgradvorteile, einfache Schaltbarkeit für das EPG wurden bereits dargestellt [1]. Auf denkbare Anwendungen eines EPG-Getriebes in der Industrie wurde bisher jedoch noch zu wenig eingegangen.- Bei jedem Antrieb, bei dem zwei bis vier verschiedene schaltbare Drehzahlen pro Drehrichtung ausreichend sind, sollte auf alle Fälle die Anwendung eines EPG ins Auge gefasst werden. - Bei Getrieben für hohe Drehmomente und Drehzahlen lässt ein EPG deutliche Vorteile erwarten.- Bei Anwendungen in der chemischen Industrie und in der Lebensmittelindustrie kann die Ölfreiheit und die lageunabhängige Einbaumöglichkeit Vorteile bringen.- Bei Getrieben an ungünstigen Einbauorten und im Dauereinsatz, bei denen eine Wartungsfreiheit und hohe Zuverlässigkeit gefordert wird, sollte unbedingt der Einsatz eines EPG geprüft werden (Unterwassergetriebe).- In Anwendungen mit gefährlichen Substanzen, Hochdruck- oder Niederdruckräumen oder mit schwer abzudichtenden Substanzen kann ein EPG-Getriebe ohne Drehdurchführung Vorteile bieten.- Untersetzungsgetriebe an Wellen mit großem Durchmesser, bei welchen also das Ritzel einen Mindestdurchmesser hat, aber schnell dreht, erfordern für Zahnradgetriebe einen großen Bauraum. Durch die Ringform der EPG-Getriebe sind hier deutliche Vorteile zu erwarten.Durch den hohen Entwicklungsstand elektrischer Maschinen und ihrer Regelbarkeit werden die Einsatzmöglichkeiten für mechanische Getriebe in der Industrie zunehmend verringert. Dennoch sind bei den wartungsarmen Drehstrommaschinen grundsätzliche Eigenarten gegeben, die Getriebe erfordern oder einen Frequenzumformer notwendig machen. Der Preis von Frequenzumformern steigt mit der maximal umzuformenden Leistung. Nachstehend sollen Beispiele gezeigt werden, wo die Verwendung eines EPG-Läufers im Drehstrommotor deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik verspricht: Bei Drehstrommotoren am Netz sind nur Drehzahlen möglich, die einem Bruch der Netzfrequenz durch die Polpaarzahl entsprechen. Kleine Drehzahlen erfordern viele Wicklungen Bei kleinen Motordrehzahlen müssen daher viele Wicklungsstränge am Umfang untergebracht werden. Dies und das dann in der Regel geforderte höhere Motordrehmoment erfordert einen großen Durchmesser des Motors. Beim EPG kann man die Polpaarzahl auf einen Innen- und einen Außenring aufteilen, was bei gleichem Motordrehmoment den Durchmesser deutlich verkleinert. Dies ist im Bild 2 gezeigt.Bei mechanischen Planetengetrieben wird in der Regel eine Welle am Gestell festgesetzt. Bei Getrieben mit Leistungsverzweigung werden zwei der drei Wellen als Antriebswellen gedreht und die dritte Welle, die Summenwelle, als Abtriebswelle genutzt. Leistungsverzweigte mechanische Planetengetriebe sind in der Regel aufwendig und werden meist nur in Sonderfällen realisiert. Mit dem EPG ist hier bei Drehstrommotoren eine deutliche Verbesserung möglich.Im Bild 2 ist ein Drehstromdoppelmotor mit EPG-Läufer gezeigt mit zwei verschiedenen Wicklungspaketen, die unabhängig voneinander am Netz zu- oder abgeschaltet, in ihrer Drehrichtung umgeschaltet oder gleichgerichtet werden können.Beide Motorfelder wirken auf einen Läufer mit EPG-Wicklung. Man hat damit den gleichen Effekt, als würde man bei Planetengetrieben die Wellen 1 und 3 drehbar gestalten. Im Vergleich dazu sind die Abmessungen eines konventionellen Drehstrommotors mit 16 Polen und nur einer Drehzahl gezeigt.In Tabelle 1 sind die erreichbaren Drehzahlen und Drehmomente des im Bild 2 vorgestellten Drehstromdoppelmotors mit EPG-Läufer vorgestellt. Man erkennt, dass jeder Motor separat mit seiner Netzdrehzahl betrieben werden kann, wenn der andere Motor völlig ausgeschaltet ist (Fall 1 und 3). Der EPG-Läufer wirkt wie ein Käfigläufer eines Asynchronmotors. Beide Motoren können eingeschaltet sein. Man hat die doppelte Motordrehzahl des 16-poligen Läufers, das gleiche Drehmoment und die doppelte Antriebsleistung (Fall 2). Oder man kann beide Motoren drehen lassen, aber das Drehfeld eines Motors gleichrichten, sodass die Magnete im Gestell stillstehen. Man hat so Drehzahl und Drehmoment eines 16-poligen Motors. Vorteile bei stufenloser Drehzahlverstellung Denselben Effekt hat man, wenn man einen Motor verwendet und Permanentmagneten als Stützrad verwendet (Motor mit nur einer Drehzahl, Fall 4). Bei entgegengesetztem Lauf der beiden Motoren steht der Läufer still und wird im Magnetfeld festgehalten (Fall 5).Der gezeigte Aufbau bietet auch die Möglichkeit mit deutlich kleineren Frequenzumformern als bei konventionellen Drehstrommotoren die Drehzahl stufenlos zu verändern. Dies sei anhand des in Tabelle 1 gezeigten Beispiels erläutert. Will man dort bei einem konventionellen 16-poligen Drehstrommotor die Drehzahl von 0 bis 750 min-1 stufenlos verändern, so fließt dort im Maximum die Leistung 2 durch den Frequenzumformer. Für diese Maximalleistung muss der Frequenzumformer ausgelegt werden.Wenn man beim Doppelmotor nur die Leistung eines Motors über den Frequenzumformer regelt (Motor 1 zwischen -1000 und +1000 min-1 die Drehzahl verstellt), dann muss man nur die Leistung 1 im Maximum umformen, was gegenüber dem konventionellen Motor eine Halbierung bedeutet. Noch günstiger wird das Prinzip, wenn man die Motordrehzahl nur um 10 bis 30% ändern will. Dann muss nur die Maximalleistung 0,05 bis 0,15 über den Umformer laufen. Mit diesem Aufbau lassen sich auch extrem geringe Abtriebsdrehzahlen von unter 10 min-1 realisieren. (Motor 1 = -990 min-1) Ob solch ein Abtriebsläufer die Steifheit hat, eine spielfreie Bewegung zu verwirklichen, wie sie mit zwei entgegen gesetzt laufenden Motoren aus dem Maschinenbau bekannt ist, müssen praktische Untersuchungen zeigen.Andere Motordrehzahlen sind realisierbar Mit einem EPG-Läufer sind natürlich auch andere als die Abtriebsdrehzahlen konventioneller Drehstrommotoren an der Netzfrequenz realisierbar. Die Motordrehzahl von 2000 min-1 wird realisiert, wenn man im Bild 2 als Motor 1 einen zweipoligen Motor und als Motor 2 einen 4-poligen Motor vorsieht. Mit EPG-Läufer und einem Zwischenläufer sind nahezu beliebig große oder kleine Motordrehzahlen realisierbar.Will man heutige Drehstrommotoren zum Antrieb schnell drehender Aggregate wie bei Turbomaschinen oder Hochgeschwindigkeitsspindeln einsetzen, so ist dies nur möglich, wenn man einen Frequenzumformer verwendet oder ein Getriebe, welches ins Schnelle übersetzt. Beide Lösungen sind nicht immer ideal. Getriebe müssen gewartet werden und verschleißen, Frequenzumrichter sind aufwändig. Mit Hilfe des EPG-Läufers und eines zweiten Läufers sind Abtriebsdrehzahlen > 3000 möglich. Als einzige Verschleißteile sind noch die Lager vorhanden. Durch entsprechende Auslegung eines Doppelmotors sind beispielsweise schaltbare Motordrehzahlen 10 000, 9000 und 8000 min-1 möglich. Beim Antrieb einer Turbomaschine würde dies ungefähr einer vollen Leistung (Maximalleistung), einer 3/4-Leistung und einer halbierten Leistung entsprechen. Aber man kann auch eine Frequenzumformung vorsehen, wobei neben der reduzierten Leistung, die über den Umformer fließt auch die verringerte Frequenz, die der Umformer abgeben muss, zu erwähnen ist.Von Vorteil ist: Das Gewicht der Blechpakete des Motors bleibt fast gleich. Man benötigt allerdings zwei Zuschnitte und Wicklungen. Der EPG-Läufer unterscheidet sich gegenüber einem konventionellen Käfigläufer durch die geänderten Wicklungsköpfe mit einer speziellen Verschaltung. Die Wicklungen selbst sind wie bei Käfigläufern Stangenmaterial in einem Blechpaket. Bei nur 15 bis 30% höheren Motorkosten sinken die Systemkosten für industrielle Drehstrommotoren teilweise um bis zu 40% durch den möglichen Wegfall von Frequenzumrichter und Getriebe.Literatur:[1]Ingelheim, P. Graf v., und K. Popp: Elektrische Planetengetriebe: Revolution für den Antriebsstrang oder Nischenprodukt? Special Antriebstechnik II/2001, VDI-Z/Konstruktion, Düsseldorf, November 2001, Seite 84-89.

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