Direktantrieb

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Direktantriebe sind Antriebe, bei denen die Antriebsmaschine und die Arbeitsmaschine ohne Getriebe direkt verbunden sind.[1] Der Motor wird so ausgelegt, dass er die Drehzahl der Arbeitsmaschine hat.

Eigenschaften

Durch den Wegfall des Getriebes im Antriebsstrang wird dessen Gesamtwirkungsgrad besser weil die Reibungsverluste des Getriebes entfallen. Weiter gibt es keine Bewegungsungenauigkeiten durch Spiel im Getriebe, was bei Positionierantrieben nicht erwünscht ist, und die Wartung wird vereinfacht, weil es weniger Verschleißteile gibt. Durch den Wegfall des Getriebes wird der Antriebsstrang kostengünstiger[1] und konstruktiv einfacher.

Gegenüber Antrieben mit Getriebe hat der Direktantrieb den Nachteil, dass die Drehzahl durch die Antriebsmaschine limitiert ist. Bei Elektroantrieben, die aus dem 50 Hz-Landesnetz versorgt werden, ist die maximale Drehzahl aus technischen Gründen auf 3000 min−1 beschränkt, höhere Drehzahlen können nur mithilfe von Getrieben erreicht werden. Viele Strömungsmaschinen, wie z. B. Verdichter, lassen sich aber bei höheren Drehzahlen einfacher und kleiner bauen.

Bei einem Direktantrieb muss die Antriebsmaschine das Antriebsmoment der Arbeitsmaschine aufbringen. Durch Einbau eines Getriebes kann das Antriebsmoment des Motors kleiner gewählt werden, was den Motor kleiner, leichter und kostengünstiger macht.[1] Ist die Drehzahl hoch, kann nicht nur das Getriebe eingespart werden, sondern auch die Masse des Motors wird geringer, da die abgegebene Leistung bei gleichem Drehmoment mit steigender Drehzahl steigt. Ist dagegen eine niedrige Drehzahl erforderlich, ist ein geeigneter direkt antreibender Motor oft schwerer als ein Getriebemotor (Untersetzungsgetriebe + schnelllaufender Motor).

Direktantriebe können nur durch die Veränderung der Drehzahl der Antriebsmaschine drehzahlvariabel gemacht werden. Bei Elektroantrieben kann dies durch Frequenzumrichter (FU) bewerkstelligt werden, der den Motor auch mit Frequenzen höher als 50 Hz versorgen kann, womit die 3000 min−1-Beschränkung für die Höchstdrehzahl des Antriebsstranges wegfällt. Eine andere Möglichkeit zur Drehzahlregelung ist die Verwendung von polumschaltbaren Motoren oder Dahlandermotoren, bei denen aber die Höchstdrehzahl immer noch bei 3000 min−1 liegt.

Vor- und Nachteile

Vorteile

  • Getriebe entfällt, dadurch geringere Kosten, weniger Wartung und besserer Wirkungsgrad[1]
  • weniger Verschleiß[1] und Geräusch
  • bei schnelllaufenden Direktantrieben geringeres Volumen, geringere Masse, hohe Leistungsdichte
  • höhere Systemsteifigkeit, kein Spiel[1]
  • kompaktere Bauweise
  • hohe Dynamik

Nachteile

  • Zwecks Direktantrieb langsam laufende Motoren sind bei gleicher Leistung schwerer oder sie besitzen nur ein geringes Drehmoment.
  • Direktantriebe erfordern oft speziell konstruierte Motoren, die nicht nur spezielle Drehzahlen erzeugen, sondern oft auch robustere Lager besitzen müssen, um zusätzliche Lagerkräfte oder Unwuchten aufzunehmen. Daher können sie oft nur bei in hohen Stückzahlen gefertigten Produkten eingesetzt werden.

Beispiele

Beispiele für Direktantriebe sind Staubsaugergebläse (Universalmotor), Mixer, Zentrifugen (Laborzentrifugen, Fruchtsaftzentrifugen), Ventilatoren und Wäscheschleudern. Weiter stationäre Schleifmaschinen (Schleifbock) oder Wasserpumpen, die meist mit Asynchronmotoren betrieben werden.

Auch bei vielen herkömmlichen Werkzeugmaschinen werden Direktantriebe mit an der Netzwechselspannung betriebene Asynchronmotoren, die Drehzahlen von knapp 3000 oder 1500 min−1 abgeben eingesetzt.

Oft sind die Drehzahlen ein Unterteilungsmerkmal:

Langsamläufer

Durch eine hohe Polzahl wird bei bestehender Speisefrequenz die Drehzahl deutlich gesenkt. Während ein Normmotor meist 2- oder 4-polig ist und somit bei 50 Hz eine Drehzahl von 3000 bzw. 1500 min−1 besitzt, hat eine 30-polige Maschine eine Nenndrehzahl von 200 min−1.

Langsamläufer mit hoher Polzahl haben einen großen Durchmesser, der mehrere Meter betragen kann.

Eine klassische Anwendung von Langsamläufern sind zum Beispiel die Generatoren in Wasserkraftwerken: zum Beispiel mit der Drehzahl 65,2 min−1 und einer Polzahl von 92.

Die Drehzahl von Synchrongeneratoren oder Asynchronmotoren kann variieren, wenn sie über einen Frequenzumrichter angeschlossen sind.

Langsamläufer sind häufig auch permanenterregte Gleichstrommotoren oder (teils elektronisch kommutierte) vielpolige Synchronmotoren.

Weitere Beispiele

Schnellläufer

Schnellläufer laufen deutlich schneller als Normmotoren. Es gibt Motoren, die über 100.000 min−1 erreichen, zum Beispiel beim Einsatz in elektrischen Turboladern. Dies wird erzielt durch eine Speisung mit Frequenzumrichtern mit einer Speisefrequenz von mehreren Hundert Hz bis über 1000 Hz. Der Motor ist kleiner gegenüber einem Normmotor mit gleicher Leistung. Die umlaufenden Teile müssen teils erhebliche Radialbeschleunigungen (Fliehkraft) aushalten.

Weitere Beispiele

  • Spindelantrieb für Textilmaschinen: direkt in die Spindel integriert, hochdynamisch
  • Motorspindel bei Werkzeugmaschinen
  • Turbomolekularpumpe (Vakuumpumpe), ca. bis 100.000 min−1
  • Elektrischer Turbolader: Drehzahl 130.000 min−1

Literatur

Einzelnachweise

  1. a b c d e f Getriebe vs. Direktantrieb. 13. November 2018 (aradex.de).
  2. DirectDrive. LEITNER ropeways, abgerufen am 2. Dezember 2018.
  3. Günter Mau: Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-90621-2 (google.de).