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125 Jahre MM Maschinenmarkt

Wie der Elektromotor unverzichtbar wurde

| Autor: Stefanie Michel

Mechanisierung braucht regelbare Antriebe

Je mehr man die Vorteile solcher „Elektroarbeitsmaschinen“ erkannte, desto höher wurde die Nachfrage nach kleinen und mittelgroßen Motoren. Damit konnten vor allem auch in der Metallbearbeitung Arbeitsabläufe nach und nach mechanisiert werden. Ver- und Bearbeitungsmaschinen sollten die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöhen und damit die Produktionszeit senken. Der Anwender erwartete konstante, hohe Drehzahlen, die oft mit vorhandenen Gleichstrommotoren nicht möglich waren. So standen die Ingenieure erstmals vor der Herausforderung, Prozesse zu steuern und zu regeln. Bereits in den 1930er-Jahren konnten hierbei elektrische Antriebe gegenüber hydraulischen Anlagen punkten.

Die Regelungstechnik entwickelte sich in den 1920er- und 1930er-Jahren sehr schnell, was man für die Antriebstechnik nutzte. So setzte man seit Ende der 1930er-Jahre Tyrathrons (Vorläufer der Thyristoren) zur Leistungsverstärkung ein. Um beispielsweise den Gleichlauf von Antrieben in Maschinen zu ermöglichen, entstanden zudem verschiedene Lösungen zur Drehzahlregelung. Bei DC-Antrieben setzte man dafür die Leonard-Schaltung ein, bei der ein Drehstrommotor über einen Gleichstromgenerator einen Gleichstrommotor antrieb. Um die Drehzahl bei Drehstrommotoren zu beeinflussen, war allerdings ein größerer Aufwand nötig. Bereits 1905 hatte zwar Max Déri den Repulsionsmotor mit zwei Bürstensätzen vorgestellt, der eine feinstufigere Drehzahleinstellung ermöglichte, doch der Verschleiß von Kohlebürsten und Kollektor war hoch und der Wirkungsgrad eher niedrig. Hier entwickelte die Elektrotechnik ab den 1930er-Jahren unterschiedliche Lösungen, oft spezifisch für die Anwendung. Die Möglichkeiten waren allerdings begrenzt: die Änderung der Primärfrequenz, der Polzahl oder des Schlupfs. Hinzu kam der Einsatz von Getriebemotoren, die ebenfalls eine Möglichkeit boten, die Drehzahl zu verstellen.

Die Elektronik wird Teil des Antriebs

Auch wenn mit der Erfindung des Quecksilberdampf-Gleichrichters 1902 der Beginn der Leistungselektronik verankert wird, brachten erst die Leistungshalbleiter nach dem Zweiten Weltkrieg ganz neue Impulse in die Antriebstechnik. General Electric entwickelte 1957 den ersten steuerbare Leistungshalbleiter (Thyristor), die frühere Systeme schnell ablösten. Nun boten sich ganz andere Möglichkeiten: AC-Antriebe kamen jetzt auch für höhere Leistungen infrage, weil mit Umrichtern ein frequenzvariabler Drehstrom erzeugt und damit auf ein Getriebe verzichtet werden konnte. Einen solchen getriebelosen Antrieb realisierte BBC erstmals 1969 für eine Zementmühle. Seit 1960 wurden umrichtergespeiste Drehstromantriebe entwickelt, einige Jahre später kamen auch Umrichter für Mehrmotorenantriebe in der Industrie zum Einsatz. Als erstes Unternehmen fertigte schließlich Danfoss ab 1968 Frequenzumrichter in Serie. Die damit mögliche stufenlose Drehzahlregelung für Asynchronmotoren gilt als Meilenstein der elektrischen Antriebstechnik. Durch die große Kühlung der Leistungselektronik waren die Geräte groß und schwer, die Inbetriebnahme dank Hartverdrahtung aber einfach.

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Durch die einfachere Regelungstechnik auf Basis elektronischer Bauteile verbreiteten sich drehzahlveränderbare Antriebe rasch. Dennoch war die Regelung von Gleichstrommotoren einfacher und von hoher Güte, was zu ihrem Wiedererstarken führte. Erst die Einführung von Mikroprozessoren und die Entwicklung der feldorientierten Regelung, die 1973 von Felix Blaschke in seiner Doktorarbeit beschrieben wurde, ermöglichte eine Regelgüte von Drehstrommotoren, die derer von Gleichstrommotoren in nichts nachstand.

Motor als Komponente der Automatisierung

Aus Gründen der Wartung und Störanfälligkeit wünschten sich mehr und mehr Anwender bürstenlose Motoren, denn die Bürsten mussten regelmäßig ausgetauscht werden und verursachten durch das Bürstenfeuer Verluste. Auch die US-Raumfahrt suchte nach drehzahlveränderbaren Antrieben ohne Bürsten, sodass ab den 1960er-Jahre viele Entwicklungen in diese Richtung auf die Nasa zurückgehen. Statt mechanischer Kommutierung wurden nun elektronisch kommutierte Motoren (EC-Motoren) auf den Markt gebracht, die Permanentmagnete nutzen. Dadurch sind die Abmessungen bei gleicher Leistung kompakter und der Wirkungsgrad höher.

Ähnlich aufgebaut sind die permanenterregten Synchronmaschinen. Wie alle fremderregten Synchronmotoren müssen sie mit Umrichter betrieben werden, weil ein Anlauf am Netz nicht möglich ist. Obwohl Frequenzumrichter bereits auf dem Markt waren, wurden diese Antriebe für die Industrie erst ab den 1980er-Jahren interessant, weil die Elektronik günstiger und leistungsfähiger wurde. Erst dann konnte auch die Motorregelung implementiert werden. Für die Industrie nutzte man diese Motoren dort, wo hohe Regelgenauigkeiten erforderlich waren. Erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden die Magnete aus Seltenen Erden durch den Markteintritt von China immer günstiger, sodass solche Motoren heute aus der Industrie nicht mehr wegzudenken sind. Permanenterregte Synchronmaschinen gehören nun zum Standard für dynamische Servoantriebe. Damit können die Anforderungen an Dynamik, schnelle Taktzeiten und hohe Flexibilität in der industriellen Fertigung erfüllt werden.

Durch den Einfluss der Leistungselektronik und den Einsatz von Frequenzumrichtern wurde der Elektromotor in den letzten Jahrzehnten mehr und mehr integriert in ein komplettes Antriebssystem, das Steuerungs- und Regelungsaufgaben übernimmt. Gerade in der Fertigungsindustrie sind solche Systeme eingebettet in Automatisierungsumgebungen, sodass die elektrische Antriebstechnik mehr und mehr verschmilzt mit der Automatisierung und Elektrotechnik. Dennoch erfüllt sie – auch in Zeiten der Digitalisierung – eine zentrale Aufgabe: Sie setzt Maschinen in Bewegung. .

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