Statische Antriebsauslegung


Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 05.05.2011

Basis der Antriebsdimensionierung ist die statische Antriebsauslegung. Es gilt die Bedingung, dass über den ganzen Drehzahlbereich das Lastmoment nicht grösser als das Antriebsmoment sein darf. Die Berechnung der Beschleunigung, der Einbezug von Getrieben und Umlenkeinrichtungen wird unter dynamischer Antriebsaulegung behandelt.
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Ein Antrieb beschleunigt eine Last solange, bis sein Drehmoment gleichgross wie das der Last ist.

Lastkennlinien

Die Grundlage einer statischen Antriebsauslegung ist die Drehmoment-Drehzahlkennlinie der anzutreibenden Last. Man unterscheidet zwischen:

  • hyperbolisches Lastmoment = konstante Leistung (spanabhebende Bearbeitung wie Bohren, Fräsen, Drehen und Zentrumswickler)
  • konstantes Lastmoment bei Reibung (Gleitreibung) mit umgekehrtem Drehmoment bei negativen Drehzahlen und Hubarbeit (Kran, Lift ...) mit dem gleichen Drehmoment bei negativen Drehzahlen
  • lineares Lastmoment, welches eher selten vorkommt (laminare Strömung, hydrodynamische Lager ...)
  • quadratisches Lastmoment (turbulente Strömung zum Beispiel bei Lüfter und Pumpen)
  • beliebiges, prozessspezifisches Lastmoment (Presse, Extruder ...)
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Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien verschiedener Prozesse mit einer Leistung von etwa 1 kW bei 1000 U/min.

Bestimmung der Lastmomente

Die Bestimmung der Lastmomente kann in der Praxis recht aufwendig werden, ist aber für eine seriöse Antriebsauslegung notwendig. Die Vorgehensweise wird im folgenden stichwortartig beschrieben:

  • Berechung der Prozesskräfte: Rechenmodell (siehe Beispiel Fahrzeugkräfte), Grundlagen aus Literatur (Dubbel, Papers ...); Computersimulation, Graphische Auswertung, Abschätzung und Vergleich aus bekannten ähnlichen Prozessen
  • Messung der Kräfte und Bewegungen: Kraft- und Drehmomentmessgeräte (Messung der Gegenkraft), Bewegungsanalyse mit Videokamera (Kinematik), Messung mit Waage, Drehmoment = Kraft mal Hebellänge
  • Messung über Motor an bestehender Maschine: Kalibrierung mit Drehmomentmessung, Aufzeichnung des momentbildenden Stromes, Rückrechnung zum Prozess Losbrechmoment

Anlauf

Ein spezieller Fall ist das erforderliche Drehmoment um eine Last aus dem Stillstand in Bewegung zu versetzen. Wenn das Losbrechmoment (die Haftreibung) deutlich kleiner als das Anzugsdrehmoment des Motors ist, sind keine Anlaufschwierigkeiten zu erwarten.

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Ein hohes Losbrechmoment kann einen anzugsschwachen Motor blockieren.

Bei hohen Haftmomenten nützt bei Asynchronmotoren ein Sanftanlaufgerät nicht viel, denn der Motor beschleunigt erst, wenn er genug Spannung hat, um das Losbrechmoment zu überwinden. In der Sternschaltung steht nur ein Drittel des Anlaufmomentes der Dreieckschaltung zur Verfügung. Mit einem modernen Frequenzumrichter steht aber schon beim Start ein hohes Drehmoment zur Verfügung.

Ein Asynchronmotor, der direkt oder mit einen Softstarter ans Netz geschaltet wird, erhitzt sich beim Hochfahren mit der Energie, welche der Rotationsenergie des Rotors und der Last entspricht. In den Datenblättern von Standardmotoren ist die zulässige Anzahl Leerumschaltungen pro Stunde angegeben. Kleine Asynchronmotoren können viel mehr Schaltungen (einige pro Sekunde) als grosse (einige pro Stunde) verkraften. Beim Betrieb mit einem Frequenzumrichter hat der Motor einen beschränkten Schlupf und kann viel häufiger gestartet werden.

Wenn das Lastdrehmoment unterhalb der Nenndrehzahl grösser als das Nenndrehmoment des Motors ist (Zentrumswickler, Knetmaschinen, Exzenter ...), so ist ein Antriebssystem mit einer Kennlinie zu suchen, welches diesen Bereich abdeckt (Gleichstrom-Reihenschluss-Motor, fremderregter Gleichstrom-Motor mit Feldschwächung, Asynchronmotor mit Frequenzumrichter in der Feldschwächung, geschalteter Reluktanzmotor). Als Alternative bleibt eine veränderbare Getriebeuntersetzung oder eine entsprechende Überdimensionierung des Antriebssystems.

Der Preis eines Motors hängt von seiner Grösse und somit vom Nenndrehmoment ab. Die Drehmomentanpassung an die Last ist mit einem Getriebe meistens günstiger als mit einem grossen Motor. Ein Getriebe hat ein Reibungsmoment, welches von der übertragenen Leistung wenig abhängig ist. Der Wirkungsgrad eines Motors oder eines Getriebes bezieht sich auf die Nennleistung. Im Teillastbereich oder bei tieferen Drehzahlen ist der Wirkungsgrad schlechter.

Leistung

Die Leistung rechnet sich aus Drehmoment mal Drehzahl: [W]. Dabei ist zu beachten, dass für die Drehzahl nicht die übliche technische Grösse [U/min] sondern die Grösse [rad/s] benutzt wird. Für die Umrechnung gilt: 1 rad/s = 60 s/min / (2 rad/U) = 9.55 U/min. Die üblicherweise verwendete Einheit für die Drehzahl [U/min] ist etwa 10 mal grösser als die Grösse [rad/s].

Ein Motor gibt nur seine Nennleistung ab, wenn die Last genau diese erfordert. Praktisch ist es unwahrscheinlich dass in einer Anwendung der Motor mit seiner Nennleistung belastet wird. Meistens ist das Lastmoment tiefer als das Nennmoment des Motors. Wenn einem Motor über längere Zeit mehr Drehmoment abverlangt wird, als er dauernd abgeben kann, wird er zu warm und kann ausfallen.


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