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Direktantrieb

Direktantrieb - Definition und Eigenschaften

Direktantriebe übertragen Bewegung ohne den Einsatz einer mechanischen Komponente auf das adressierte System oder anzutreibende Objekt. Demnach steht kein Bindeglied wie ein Getriebe oder Bewegungswandler zwischen der elektrischen Maschine, welche Energie umwandelt und bereitstellt, und der sogenannten Arbeitsmaschine, die für die Aufnahme der gewandelten Energie zuständig ist. Arbeits- und Antriebsmaschine sind somit direkt und unmittelbar gekoppelt. Die Drehzahlen des Motors und der Arbeitsmaschine werden in diesem Zusammenhang aufeinander abgestimmt, wobei der Motor die sich angleichende Einheit darstellt. Die in Direktantrieben genutzten Arbeitsmaschinen, meist Elektromotoren, werden vor besagtem Hintergrund oftmals speziell konstruiert. Auch das Drehmoment beziehungsweise die benötigte Kraft muss vom Motor bereitgestellt werden. Das gewaltige Interesse am Direktantrieb rührt insbesondere durch seine primäre Eigenschaft her – er schafft die Voraussetzung für den kürzesten Weg zwischen Elektronik und Mechanik.

Der Direktantrieb - Dynamisch, kompakt und kosteneffizient  

Durch die prinzipiell leichte, kompakte Bauweise und geringe Anzahl an mechanischen Komponenten wie beispielsweise Getrieben entfallen hohe Kosten für Wartung, Instandhaltung und Energie, während im gleichen Zug eine langandauernde Nutzung des Direktantriebs gewährleistet wird. Darüber hinaus stehen hohe Produktqualität, maximale Verfügbarkeit und geringer Verschleiß als auch die geräuscharme Arbeit als Charakteristikum des Direktantriebs. Die unmittelbare Bindung von Motor und Arbeitsmaschine umgeht ungewollte Attribute wie Spiel und Elastizitäten. Folglich steigen Präzision und Zuverlässigkeit des Antriebs. Des Weiteren verfügt der Direktantrieb über eine äußerst hohe Verfügbarkeit aufgrund weniger mechanischer Zwischenelemente und ebenfalls über eine hohe Steifigkeit durch hohe Verstärkungsfaktoren im Regelkreis.

Da der Direktantrieb keinerlei Bewegungswandler in Anspruch nimmt, wird das Trägheitsmoment deutlich reduziert. In Relation zu klassischen Antriebsformen verfügen Direktantriebe folglich über eine höhere Dynamik. Diese hat positive Auswirkungen auf weitere Eigenschaften der Antriebseinheit wie unter anderem kurze Latenzzeit und hohe Endgeschwindigkeit. Aus besagten Merkmalen resultiert eine enorm effiziente und effektive Antriebseinheit.

Direktantriebe in der Praxis

Um genannte Eigenschaften in der Praxis zu realisieren, werden Direktantriebe in spezielle Antriebssysteme eingebunden. Via Vorsteuerung können dabei Systemgrößen wie unter anderem Drehmoment und Drehzahl gezielt reguliert werden, sodass für Anwender des Systems eine optimale, konstruktive Lösung entsteht. Aufgrund der enormen Leistungsdichte von Direktantrieben kann es bedingt zu starken Antriebserwärmungen kommen, welche oftmals mit angepassten Kühlsystemen korrigiert werden müssen. Darüber hinaus muss der Wegfall von herkömmlicher Selbsthemmung berücksichtigt werden. Anwendungsabhängig bieten Bremsen eine Lösung für besagte Problematik. Im Vergleich mit Getriebeantrieben besitzt der Direktantrieb meist große Abmessungen und ein hohes Gewicht. Große Regler aufgrund hoher Stromaufnahme und enorme Stromwärmeverluste wirken sich nachteilig aus. 

Linear- und Torquemotoren als Basis des Direktantriebs

Als Basis des Direktantriebs dienen häufig translatorische Linearmotoren und rotatorische Torquemotoren, welche im Grunde nach den gleichen Wirkprinzipien agieren. Der Torquemotor stellt eine Sonderbauform des Direktantriebes dar. Er wird als hochpoliger Synchronmotor ausgeführt und erzeugt somit im Vergleich zum niederpoligen Synchronmotor ein hohes Drehmoment. Dabei ist die maximal erreichbare Drehzahl kleiner als beim niederpoligen Synchronmotor. Torquemotoren werden dort eingesetzt, wo ein hohes Drehmoment bei geringen Drehzahlen benötigt wird – beispielsweise als Ersatz für die übliche Kombination aus Getriebe und Elektromotor.

Die Vorteile des Torquemotors entsprechen denen eines Direktantriebs. Torquemotoren werden oftmals zur Erhöhung der Leistungsdichte mit einer externen Wasserkühlung versehen. Diese ist zum einen aufwendig, hat zum anderen jedoch den Vorteil konstanter Temperaturverhältnisse im Arbeitsraum. Konstante Temperaturverhältnisse sind eine grundlegende Anforderung bei hochgenauen Werkzeugmaschinen wie beispielsweise mehrachsiger Fräsmaschinen.

Torquemotoren gehören aufgrund ihrer hohen Polzahl und kleinen Drehzahl zur Gruppe der sogenannten Langsamläufer. Angesichts ihrer Leistungsdaten stellen Schnellläufer, wie beispielsweise Spindelmotoren, das Pendant zu Langsamläufern dar. Im Gegensatz zu rotierenden Maschinen versetzen Linearmotoren die anzutreibenden Objekte nicht in eine rotierende Bewegung; sie platzieren jene vielmehr auf einer linearen oder gekurvten Spur. Sowohl rotierende als auch lineare Direktantriebe verfügen neben dem jeweiligen Motorentyp in der Regel außerdem über ein Messsystem sowie einen Frequenzumrichter.

Vielfältiger Natur können im Rahmen von Linear- und Torquemotoren die Prinzipien zur Erzeugung von Kraft und Drehmoment sein und umfassen aus physikalisch-technischer Perspektive unter anderem Asynchronmotoren, permanenterregte Synchronmotoren als auch Schrittmotoren. Eines verbindet jedoch jede Form und Bauart des Direktantriebs: die unmittelbare Bewegungsübertragung. 

Anwendungsbereiche des Direktantriebs

Hinsichtlich des Einsatzspektrums von Direktantrieben lassen sich deutliche Unterschiede zwischen Langsamläufern auf der einen und Schnellläufern auf der anderen Seite erkennen. So besitzen hochpolige Langsamläufer oftmals einen verhältnismäßig großen Durchmesser und kommen daher häufig in entsprechend großen Anwendungen zum Einsatz. Klassische Beispiele sind hierfür unter anderem Wasserkraftwerke oder Windkraftanlagen, bei welchen der Durchmesser bei etwa 5 m liegt. Die zur Gruppe der Langsamläufer gehörenden Torquemotoren eignen sich besonders für rasche und exakte Positionierungsaufgaben, die größtmögliche Anpassungsfähigkeiten fordern. Zu nennen sind hier Werkzeugmaschinen, Servopressen und -ventile als auch die Binnenschifffahrt.

Schnelllaufende Direktantriebe hingegen werden zumeist in Anwendungen genutzt, die eine hohe Drehzahl beanspruchen. Bei Spindelantrieben für Textilmaschinen und ähnliche Geräte werden sie unmittelbar im Inneren der Spindel montiert. Von den ausgeprägten Eigenschaften der Schnellläufer profitieren außerdem Turbomolekularpumpen, sogenannte Vakuumpumpen, und elektrische Turbolader.

Weitere Anwendungsbeispiele für Direktantriebe sind Zentrifugen, welche vornehmlich im Kontext von chemischen beziehungsweise medizinischen Vorgängen zum Einsatz kommen. Des Weiteren beruhen alltägliche Gegenstände wie Ventilatoren, Mixer und Staubsaugergebläse beziehungsweise ihre Funktionalität auf der Technik des Direktantriebs.

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