Torquemotor Torquemotoren – Stärken, Einsatzgebiete und typische Optimierungskriterien

Torquemotoren können neben Asynchronmotoren auch Getriebemotoren, Motor-Riemenkombinationen oder Hydrauliken ersetzen. Wer bereit ist umzudenken, erreicht so enorme Verbesserungen.

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Klassisch werden Elektro- und vor allem Normmotoren nach wie vor über ihre Leistungswerte verkauft. Dabei setzen Käufer und Verkäufer in Europa stillschweigend eine Netzfrequenz von 50 Hz voraus. Das ist jedoch nur die halbe Wahrheit. Selbst ohne Umrichtertechnik bringt ein europäischer 100-kW-Motor in den USA bei 60 Hz 120 kW. Die mögliche Leistung ist direkt proportional zur Motordrehzahl. Eine Motorkennzeichnung durch die Leistung ist wenig aussagekräftig. In einer Welt, in der nahezu jeder Elektromotor mit geeigneter Elektronik drehzahlvariabel gefahren werden kann, sollten Techniker und Einkäufer umdenken. Am Umrichter hätte derselbe Motor zum Beispiel bei einer Frequenz von 300 Hz eine Leistung von 600 kW, bei 5 Hz dagegen nur 10 kW. Die Umrichtertechnik macht es möglich. Ob ein 100 kW Motor bei 600 kW im Dauerbetrieb betrieben werden darf, ist dabei eine ganz andere Frage.

Erstes Auswahl- oder Vergleichskriterium: das Drehmoment

Um eine Maschine mit einem Elektromotor anzutreiben sind zunächst mal die Kraft, respektive das Drehmoment des Antriebs ausschlaggebend. Motoren einer Baureihe unterscheiden sich typischerweise durch ihre Größe und damit durch ihre Kraft, ihr Drehmoment und nicht nur ihre Leistung. Das erste Auswahl- oder Vergleichskriterium ist also das Drehmoment M. Es bestimmt die erforderliche Motorgröße und beantwortet die Frage ob ein Motor für eine vorliegende Aufgabe geeignet ist oder nicht.

Damit die Kraft, das Moment eines kleinen Motors ausreicht, wurden früher oft Untersetzungsgetriebe eingesetzt. Mit der Untersetzung geht die Drehzahl nach unten und das Drehmoment erhöht sich proportional. Bei sehr einfachen Anwendungen mag diese Vorgehensweise auch heute noch passen. Legt man jedoch Wert auf optimale Produktivität und Effizienz der jeweiligen Maschine, so lohnt es sich genauer hinzusehen. Moderne Motortechnik bietet heute ein Vielfaches an Dynamik, Energie- und Geräuschoptimierung oder Kompaktheit, um nur einige Stichworte zu geben.

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Torquemotoren contra Getriebemotoren

Im Drehmomentbereich bis 100 Nm sind Servomotoren mit Permanentmagneten seit langem etabliert. Bei Hauptantrieben und größeren Drehmomenten bieten sogenannte Torquemotoren (die großen Geschwister der Servomotoren) seit etwa dem Jahr 2000 größte Momente auf kleinstem Raum. Die Motordrehzahl richtet sich dabei nach der benötigten Maschinendrehzahl. Der Frequenzumrichter erzeugt die passende Grundfrequenz im Bereich von 0 bis 500 Hz.

Die Dynamik der Torquemotoren ist bei gleichzeitig niedrigstem Energieverbrauch unschlagbar hoch. Der Wegfall von Übersetzungsgliedern und die niedrigeren Lagerdrehzahlen reduzieren den üblichen Wartungsaufwand erheblich. Dabei lohnt sich der Einsatz von Torquemotoren bei dynamischem Betrieb genauso wie bei konstanten Drehzahlen. Maschinenbauer, die bereit sind umzudenken und hergebrachte Antriebslösungen in Frage zu stellen, können enorme Verbesserungen erreichen. Dabei ist zu beachten, dass der Torquemotor der Ersatz für Getriebemotoren, Motor-Riemenkombinationen oder Hydrauliken ist und nicht nur für den zu ersetzenden Asynchronmotor.

Ein Torquemotor hat seinen Bemessungspunkt nicht bei 1500 Umdrehungen, sondern bei einer beliebig wählbaren niedrigeren Maschinendrehzahl. Um einen Getriebemotor sinnvoll ersetzen zu können benötigt der Torquemotor zunächst das i-fache Moment des Normmotors, also das Moment am Abtrieb des Untersetzungsgetriebes. Das gelingt nur, weil Torquemotoren ein Vielfaches der Kraftdichten von Normmotoren besitzen. Darüber hinaus muss der Torquemotor bei niedrigen Drehzahlen sehr hohe Wirkungsgrade aufweisen. Das gelingt durch starke Permanentmagnete die das Rotorfeld erzeugen.

Eine Asynchronmaschine dagegen benötigt auch bei kleinen Drehzahlen den vollen Magnetisierungsstrom um das Rotorfeld zu erzeugen. Das führt dann gegebenenfalls zu inakzeptablen Wirkungsgraden. Im niedrigen Drehzahlbereich unter 1000 Umdrehungen sind Asynchronmotoren ohne Getriebe nur selten sinnvoll einsetzbar und genau hier liegen die meisten Anwendungen im Maschinenbau.

Vorteile von Torquemotoren

Torquemotoren dagegen sind hier ideal einsetzbar. Sie werden typischerweise im Bereich von 10 bis 100 Polen angeboten. Höhere Polzahlen reduzieren die erforderliche Menge an Dynamoblech erheblich. Je höher die Polzahl, desto weiter rückt auch der Luftspalt der Maschine im Durchmesser nach außen. Genau hier wird die Kraft/das Drehmoment zwischen dem stehenden und dem rotierenden Motorteil realisiert. Mit dem Wachstum im Durchmesser nimmt das erzielbare Drehmoment im Quadrat zu. Die Kraftdichte eines Torquemotors beträgt im Luftspalt 4 bis 7 N/cm². Durch ihre spezielle Bauart können Torquemotoren mit großen Hohlwellen realisiert werden. Dadurch erhalten andere Bauteile der Maschine interessante Gestaltungsfreiräume.

Entfallen Übersetzungsglieder, so rückt der Torquemotor räumlich und technisch direkt an die Antriebsaufgabe heran und wird zum sogenannten Direktantrieb. Hier ist es erforderlich genauer hinzusehen. Ein dynamischer Motor lässt sich auf vielfältige Weise mit der anzutreibenden Maschine mechanisch verbinden. Zunächst kann man sich zwischen einer form- oder kraftschlüssigen Verbindung entscheiden, oder beide Varianten kombinieren. Formschlüssig wäre z.B. eine Vielkeilverzahnung, kraftschlüssig z.B. die Verbindung mit einem Spannsatz. Eine einfache Passfeder ist bei dynamischen und reversierenden Einsätzen selten ausreichend. Vorteile des direkten Anbaus sind:

• Kompaktheit der Gesamtmaschine

• reduzierte Geräusche bei geringeren Drehzahlen

• keine unerfreulichen Lose oder Spiele, der ganze Antriebsstrang wird steifer und wird einfacher regelbar

• konstruktive Maschinenaufgaben können durch den Motor übernommen werden, z.B. entfallen überbestimmte Lagerstellen,

• Bauteile wie Kupplungen und Abstützungen können komplett entfallen

Torque heißt Drehmoment und Torquemotoren sind wahre Kraftpakete. Oswald ist einer der führenden Torquemotorenhersteller von 100 Nm aufwärts und bietet seinen Kunden seit Jahren Spitzenmomente bis 170.000 Nm. 2015 hat Oswald seine Torquemotorenreihe nochmal nach oben erweitert. Die größten Maschinen haben inzwischen Außendurchmesser von etwa 2 n und bieten Spitzenmomente bis 400.000 Nm.

Direktantriebe punkten mit Dynamik

Die enorme Kraft- oder Drehmomentdichte der Torquemotoren ermöglichst es Übersetzungsglieder wie Getriebe und Riemen komplett wegfallen zu lassen. So erhält man einen modernen Direktantrieb, einen Motor, der seine Kraft oder sein Moment direkt dort zur Verfügung stellt, wo es gebraucht wird. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Vorgehensweise heißt Dynamik. Dazu muss man wissen, dass die träge Masse des Antriebs mit jeder Übersetzung i im Quadrat wächst. Ein Direktantrieb fällt hier mit unglaublich niedrigen Trägheitswerten auf und das wiederum bedeutet Dynamik. Dynamik heißt bei drehzahlveränderlichem Betrieb schnellere Prozesse und dadurch Produktivitätszuwachs und /oder Energieeinsparung.

Einsatzbeispiele für Torquemotoren

• Torquemotor als Pressenantrieb Moderne Karosseriepressen werden heute fast ausschließlich mit Torquemotoren angetrieben. Je dynamischer der Antrieb, desto mehr Teile können in der gleichen Zeit gefertigt werden. Der Einsatz optimal regelbarer Torquemotoren führt darüber hinaus zu Qualitätsverbesserungen der gepressten Karosserieteile und deutlichen Energieeinsparungen auf das gefertigte Teil bezogen.

• Torquemotoren an Schiffswinden Je dynamischer die Schiffswinde, desto höher darf der Wellengang sein, bei dem Arbeiten auf offener See noch sinnvoll möglich sind. Das englische Schlüsselwort dazu heißt: AHC (active heave compensation). Eine aktive Höhenkompensation ist mit der Dynamik von Torquemotoren, die bei diesem Einsatz mehrstufige Getriebemotoren ersetzen, hervorragend erreichbar.

• Torquemotoren in Zerkleinerern Zweiwellenzerkleinerer werden seit etwa 15 Jahren mit Torquemotoren ausgerüstet. Die Antriebe werden dafür mit Drehmomente bis zu 50.000 Nm je Motor ausgeführt. Im Vergleich mit Hydraulikantrieben sind Torquemotoren bei einem Betrieb 24 Stunden - 7 Tage die Woche allein über den Wirkungsgradvergleich unschlagbar. Investitionen machen sich über die Stromeinsparung in kürzester Zeit bezahlt. Kleinere Schredder wurden früher mit Getriebemotoren ausgerüstet. Dabei treibt ein schnelllaufender Motor in ein Untersetzungsgetriebe ein. Durch uneinheitliches Schreddergut können harte Stopps oder Verstopfungen auftreten. Je geringer die träge Masse des Antriebs, desto härtere Schläge oder Beschleunigungen können schadensfrei überstanden werden.

• Torquemotoren in Schiffsantrieben Immer mehr moderne Schiffe fahren dieselelektrisch. Warum? Der Dieselgenerator kann, wenn er nicht mehr direkt mit der Schraube verbunden ist, immer bei optimaler Drehzahl, d.h. bei bestem Wirkungsgrad fahren. Die Energie wird vom elektrischen Generator über Kabel zum antreibenden Torquemotor geleitet. Dabei ist es z.B. interessant den Dieselantrieb aus Wartungszwecken in mehrere kleinere Einheiten zu teilen. Diese arbeiten dann geräuschgedämpft irgendwo im Schiffsrumpf. Den Schiffsantrieb bildet ein Torquemotor in der Nähe der Schraube oder in einer eigenen Gondel unter dem Schiff. Hier ist die Kombination von Kraft und Leistung gefragt. Trotz niedrigen Schraubendrehzahlen bietet der antreibende Torquemotor typischerweise Wirkungsgrade von über 95 %. Mit Hilfe solcher Hybridantriebe lassen sich Treibstoffeinsparungen im höheren zweistelligen Prozentbereich erreichen. Bei einigen hundert Umdrehungen bieten z.B. Oswald Schiffsantriebe Leistungen bis zu 3 MW je Torquemotor.

• Generatoren von Wind- oder Wasserkraftwerken Bei mittleren Drehzahlen kombiniert mit hohen Momenten ist der Torquemotor, was Wirkungsgrad und Bauraum, Lebensdauer und Wartungsbedarf betrifft, unschlagbar. Aus diesem Grund werden Torquemotoren inzwischen gerne als Generatoren z.B. in Wind- oder Wasserkraftwerken eingesetzt. Als Direktantriebe werden generatorische Wirkungsgrade von bis zu 98 % erreicht. Torquegeneratoren speisen bei Wasserkraftwerden entweder über Umrichter oder auch direkt ins öffentliche Netz ein. Ob als Motor für Pressen, Schiffe oder Winden oder als Generator für Wind oder Wasserkraft, Torquemotoren bieten nebenbei die vielfach gewünschte Ölfreiheit. Ein nicht zu unterschätzender Umweltaspekt, den immer mehr Kunden und Gesetzgeber fordern.

• Linearmotor Ein weiteres Bespiel für diese moderne Antriebsart ist die Schmiedetechnik. In einer historisch fast ausnahmslosen Hydraulikwelt, bietet seit 2015 die Abwandlung des Torquemotors, der Synchronlinearmotor, als Direktantrieb entscheidende Vorteile. Kein brennbares Öl und eine nicht gekannte Positionier- und Wiederholgenauigkeit verbessern und beschleunigen die Schmiedearbeit.

• Servohydraulik Vielfach müssen Hydraulik und Getriebeanwendungen den Vorteilen der Torquemotoren mit ihren überragenden Eigenschaften weichen, doch auch Kombinationen von Torquemotoren mit Hydrauliken sind möglich und im Fokus der Energieeinsparer. Hier wird der Druck von Hydraulikpumpen nicht mehr statisch, sondern exakt nach Bedarf durch hochdynamische PM Maschinen erzeugt. Je nach Ausführung lassen sich moderne Hydrauliksysteme im Millisekunden Bereich laden.

• Vergleich Verbrennungsmotor und Elektroantrieb

• Zum Vergleich: ein üblicher PKW Motor bietet 200 bis 300 Nm Drehmoment und das nur ab einer Drehzahl von einigen 100 Umdrehungen. Elektromotoren und insbesondere Torquemotoren bieten volles Moment oder auch Überlast ab Drehzahl Null. Liegt der Wirkungsgradbereich von Benzin- oder Dieselmotoren zwischen 5 % und 35 %, je nach Temperatur und Belastung, so bewegt sich ein Torquemotor zwischen 90 % und 98 % je nach Optimierungswunsch. Natürlich muss die elektrische Energie erst erzeugt werden, doch sind sich heute alle Experten einig, die Zukunft liegt in der elektrischen Energietechnik. Verbrennungsmotoren werden langfristig betrachtet vom Markt verschwinden.

• Kleinflugzeuge Ein interessantes Optimierungskriterium für Spezialmotoren ist das Leistungsgewicht. Elektrisches Fliegen ist nach ersten Flügen über den Ärmelkanal 100 Jahre nach Bleriot oder auch um die ganze Welt in den Fokus der Flugzeugbauer geraten. Nicht nur Modellflieger, sondern gestandene Trainingsflugzeuge im Privatflugzeugbereich lassen sich inzwischen rein elektrisch fliegen. Dabei ist das Leistungsgewicht Kilowatt/Kilogramm ein entscheidendes Kriterium: Wie viel Kilogramm Motor benötigt man für eine bestimmte Leistung? Industriemotoren liegen hier bei Werten um 0,1, speziell hochgezüchtete Segel oder Sportflugzeugantriebe bringen es heute schon auf 3 – 7 kW/kg. Typische Antriebe sind hierbei wieder schnell laufende Torquemotoren. Das Feld wird auch hier im rotierenden Teil des Motors mit Hilfe stärkster Permanentmagnete erzeugt, der stehende Motorteil bietet einer optimal gekühlten Drehstromwicklung Platz. 2015 hat Oswald einige normalleitende Prototypen für zivile Fluggeräte entwickelt.

• Fliegen mit supraleitenden Torquemotoren Visionäre wagen nun den Blick auf Verkehrsflugzeuge. Ziel: Energieeinsparung, Abgas- und Geräuschreduzierung. Supraleitende Torquemotoren könnten einen entscheidenden Betrag zur Lösung der Antriebsaufgabe in Verkehrsflugzeugen bieten. Oswald hat dazu inzwischen mehrere Studien, in denen entsprechende Möglichkeiten abgeschätzt werden, angefertigt. 10 besser 15 kW/kg Leistungsgewicht sind dabei typische Vorgabewerte der Flugzeugbauer. Ein solches Leistungsgewicht ist eine echte Herausforderung für einen Motorenentwickler und nach aktuellem Stand der Technik allein mit Hilfe supraleitender Motoren realisierbar. Nach 20 Jahren Forschung und Entwicklung supraleitender Antriebe bei Oswald für stationäre Maschinen und Fahrzeuge bildet die Flugzeugtechnik nun den Fokus weiterer Anstrengungen im Bereich Supraleitung. Ziel der Flugzeugkonstrukteure sind hybride Antriebsvarianten. D.h. solange die Energie nicht aus extrem leichten Batterien bereitgestellt werden kann, muss eine auf Wirkungsgrad optimierte Wasserstoff- oder Kerosinturbine mit an Bord sein. Im Prinzip sieht der Antriebsstrang wie bei einem Serien-Hybridauto oder Schiffsantrieb aus. Allein das vorgegebene Leistungsgewicht macht den Ansatz jedoch sehr anspruchsvoll. Die Forderung nach geringstem Gewicht betrifft Turbine, Generator, Leitungen und Motoren gleichermaßen. Oswald konzentriert sich zunächst auf Forschung und Entwicklung der Antriebe. Diese lassen sich mit modernsten Turbofans vergleichen. Mit einem Detailunterschied, nicht mehr eine Turbine, sondern ein supraleitender Elektromotor soll in Zukunft den Fan antreiben. Dieser neue Flugzeugantrieb wird in erster Näherung einem Torquemotor ähneln, wobei der Strom nahezu verlustfrei durch die Wicklung der Maschine fließt. Dies gelingt nur bei sehr tiefen Temperaturen. Bei Kerosinturbinen liegen typische Betriebstemperaturen über 1000 °C, bei supraleitenden Antrieben bei minus 200 oder minus 250 °C. Beide Temperaturbereiche erfordern absolute Spezialmaterialien und besondere Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen. Ein Wert gibt Hoffnung für das elektrische Fliegen: Der Wirkungsgrad der elektrischen Antriebe wird zwischen 99,5 und 99,8 Prozentpunkten liegen und damit weit, weit über dem was herkömmliche Turbinen leisten. Dennoch, das alles entscheidende Kriterium ist zunächst die Leistungsdichte von anvisierten 15 kW/kg. Als tatkräftige Entwickler und innovative Umsetzer bietet der deutsche Mittelstand im Maschinenbau einen entscheidenden Beitrag zur Lösung drängender Aufgaben, wie der Energieeinsparung und der immer wichtiger werdenden Ressourcenkreisläufe.

• Zukunft der elektrischen Energietechnik Der moderne Elektromotorenbau ist ein unerlässliches Glied in der Kette der enormen Anforderungen, die die Menschheit aktuell zu bewältigen hat. Die elektrische Antriebstechnik ist eine der entscheidenden Zukunftstechniken, ob in der Luft, zu Lande oder auf dem Wasser, um den Bedürfnissen und der Wohlfahrt der Menschen zu dienen. - Ob mit den entsprechenden Entwicklungsanstrengungen der Menschen ein Erreichen der Klima- und Energiesparziele möglich ist, das ist nicht sicher. Ohne Forschung und Entwicklung in der elektrischen Antriebstechnik und die damit verbundene Energieeinsparung wird es aber sicher nicht gelingen.

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