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Der Wirkungsgrad von Antriebskomponenten


Häufig stellt sich die Frage nach dem Motor mit dem höchsten Wirkungsgrad. Besonders wenn es sich dabei um Applikationen mit eingeschränkter Energieversorgung handelt, wie etwa batteriebetriebene Werkzeuge oder über ein Solarpanel angetriebene Satelliten. Ich denke, die Fragestellung sollte auf das gesamte Antriebssystem ausgedehnt werden und auch Steuerung, Motor, Getriebe und weitere mechanische Elemente berücksichtigen. Tabelle 1 enthält ungefähre Angaben zum typischen Wirkungsgrad von verschiedenen Energiekonvertern.
Die Werte zeigen, dass vor allem mechanische Komponenten grossen Einfluss haben. Hohe Reibung in der Mechanik konsumiert viel Energie. Daher macht es Sinn, zuerst einen Blick auf die Mechanik zu werfen, möchte man den Wirkungsgrad eines Antriebsstrangs optimieren.
Ebenfalls zu beachten: Gleichstromantriebe werden häufig mit fest vorgegebener Spannung betrieben. Deshalb geht es nicht darum, den Gesamtwirkungsgrad zu optimieren. Der Wirkungsgrad ist ein relativer Parameter, der die Verluste bezüglich der Eingangsleistung beschreibt. Bei vorgegebener Spannung geht es vielmehr darum, den Stromverbrauch (als absoluten Parameter) zu minimieren. Nutzt man die vorhandene Versorgungsspannung gut aus, verkleinert sich der benötigte Strom – und damit erhöht sich die Nutzungsdauer einer Akkuladung.
Nachstehend einige Regeln für einen hohen Wirkungsgrad und niedrigen Stromverbrauch.
Regeln für die mechanische Umformung
- Verwenden Sie eine Mechanik mit niedriger Reibung oder vermeiden Sie sie ganz.
- Verwenden Sie Komponenten mit Wälzreibung (Reibungszahl < 0,01) anstelle von Gleitreibung (typische Reibungszahl 0,1 bis 0,4). Eine Kugelumlaufspindel hat z. B. eine bedeutend kleinere Reibung als eine Arbeitsspindel. Andererseits ist eine Kugelumlaufspindel nicht selbsthemmend. Sie benötigt Energie, um eine Stoppposition zu halten. Betrachtet man den gesamten Arbeitszyklus, gibt es Szenarien, in denen eine Arbeitsspindel insgesamt weniger Energie verbraucht.
Regeln für Planeten- und Stirnradgetriebe
- Verwenden Sie Getriebe mit wenig Stufen.
- Verwenden Sie Getriebe mit Drehmomentgrenzen, die gerade eben für die jeweilige Applikation ausreichen. Verwenden Sie keine überdimensionierten Getriebe, denn Getriebe, die wenig belastet sind, haben einen sehr niedrigen Wirkungsgrad.
- Bezüglich des Wirkungsgrads kann ein grösserer Motor als Direktantrieb (ohne Getriebe) gegenüber einer Motor-Getriebe-Kombination Vorteile aufweisen. Allerdings könnte der Direktantrieb grösser, schwerer und teurer sein.
Regeln für Motoren
- Lassen Sie die Motoren bei Drehzahlen von einigen tausend Umdrehungen pro Minute laufen.
- Wählen Sie keinen zu grossen Motor. Betreiben Sie ihn nicht zu nahe am Leerlauf.
- Wählen Sie die richtige Wicklung. Verwenden Sie eine Wicklung, die die vorhandene Spannung am besten ausnützt, um die erforderliche Drehzahl unter Last zu erreichen. Dies ist die Wicklung, die am wenigsten Strom benötigt.
Regeln für Steuerungen
Die Regeln für Steuerungen ähneln denen für Getriebe. Belasten Sie sie ausreichend und betreiben Sie sie nicht bei zu kleinen Strömen. Wählen Sie keine Steuerungen mit einer zu hohen Strombelastbarkeit. Passen Sie die Grösse der Endstufe an den erforderlichen Motorstrom an.
Und zu guter Letzt
Nutzen Sie die volle Versorgungsspannung. Dies verringert den Stromverbrauch und spart Kosten. Die benötigte Batterie kann nun kleiner ausfallen, ebenso die Steuerung, der Aufwand für die Kabelabschirmung sinkt, ... Oder wie es einer meiner Kollegen formulierte: Spannung ist gratis – Strom kostet.