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Antriebssystem Wärmeentwicklung bei der Getriebeauswahl berücksichtigen

| Autor / Redakteur: Dr. Bruno Basler / Sandra Häuslein

Je nach Kombination von Getriebe und Elektromotor variieren Wärmeübergang und Wärmeverteilung im Antriebssystem. Welche Auswirkungen die unterschiedliche Wärmeentwicklung hat, erklärt Dr. Bruno Basler von Dunkermotoren.

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Wärmeentwicklung bei unterschiedlichen Antriebskonfigurationen: BG 75×25 und dreistufiges PLG 63 (links) und BG 75×75 und einstufiges PLG 63 (rechts).
Wärmeentwicklung bei unterschiedlichen Antriebskonfigurationen: BG 75×25 und dreistufiges PLG 63 (links) und BG 75×75 und einstufiges PLG 63 (rechts).
(Bild: Dunkermotoren)

Charakteristisch für jede Antriebseinheit bestehend aus Motor und Getriebe ist das Drehmoment und die Drehzahl. Anhand dieser Größen kann das Überführen der elektrischen Eingangsleistung in eine mechanische Abgabeleistung definiert werden. Die Wahl des Getriebes hat dabei einen großen Einfluss auf die Effizienz, die Kosten und die Lebensdauer.

Planetengetriebe bevorzugt

Besonders durch die gesteigerte Leistungsdichte bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen ist eine kompakte Bauweise und die Übertragung von hohen Leistungen gefordert. Aus diesem Grund werden bevorzugt Planetengetriebe eingesetzt, da hier das Drehmoment auf mehrere Zahnräder verteilt wird, können hohe Drehmomente übertragen werden. Zudem bietet das Planentengetriebe keine Trennung des Kraftflusses und zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und einen geräuscharmen Laufpegel aus. Um sehr hohe Drehmomente zu erreichen, ist eine Aufteilung in mehrere Getriebestufen mit verschiedenen Untersetzungen zu empfehlen. Die erste Getriebestufe ist für eine hohe Laufruhe oft schrägverzahnt ausgeführt, wohingegen die zweite und die dritte Getriebestufe in der Regel geradverzahnt sind. Geeignet ist das Planetengetriebe für den Dauerbetrieb sowie den Aussetz- und Wechselbetrieb in Links- und Rechtslauf.

Anwendertreff mechatronische Antriebstechnik

Im Fokus des Anwendertreffs mechatronische Antriebstechnik stehen die mechanischen Komponenten Getriebe, Kupplungen und Bremsen sowie deren Auslegung, Dimensionierung und Zusammenspiel im mechatronischen Gesamtsystem.

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Nachteil der kompakten Bauweise ist eine aufwändige Konstruktion und die damit verbundene Teileanzahl und Verlustanfälligkeit. Durch die Anforderung, die Kräfte und Drehmomente effizient zu übertragen, ist die Lagerung von besonderer Bedeutung. Zu beachten ist die Belastung in der Applikation, mit radialen oder axialen Kräften, punktuellen Belastungen oder einer Umfassungslast. Planetengetriebe für Servoanwendungen sind üblicherweise eigengelagert und bieten den Vorteil, dass die Getriebe mit verschiedenen Motoren kombiniert werden können.

Wärmeübergang und Wärmeverteilung variieren je Antriebskombination

Bei der Betrachtung der nachfolgenden Antriebe handelt es sich um fremdgelagerte Getriebe. Hierbei ist das Sonnenrad direkt auf der Motorwelle aufgebracht und die zusätzliche Lagerstelle am Antriebsflansch entfällt.

Je nachdem, wie E-Motor und Planetengetriebe kombiniert wurden, kann der Wärmeübergang und die Wärmeverteilung in der Antriebseinheit stark variieren. Beispielhaft ausgeführt ist die Wärmeverteilung eines bürstenlosen Gleichstrommotors BG 75×25 mit einem dreistufigen Getriebe PLG 63. Im Vergleich bildet ein einstufiges Getriebe, angebaut an einen Motor BG 75×75 eine andere Wärmeverteilung.

Hauptwärmequelle des Motors BG 75 ist die Wicklung, welche im Gehäuse verbaut ist. Im hinteren Teil des Motors befindet sich die Elektronik. Im Getriebe entsteht Wärme vorwiegend durch Reibung. Die Wärmeübertragung zwischen Motor, Getriebe und Umgebung kann anhand dreier Arten – Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung – erfolgen.

  • Wärmeleitung ist die mechanische Kopplung zwischen Motor und Getriebe.
  • Konvektion bezeichnet das Mitführen der thermischen Energie in einem strömenden Medium wie beispielsweise Öle und andere Schmierstoffe im Getriebe. Wird dem festen Körper Energie in Form von Wärme zugeführt, dann ist dies immer mit einer Temperaturerhöhung verbunden. Der Körper speichert die zugeführte Wärme. Durch Verminderung der Reibung wirkt die Schmierung dem Verschleiß entgegen, zusätzlich hemmt sie die Geräuschentwicklung und sorgen für die Wärmeabfuhr. Die Temperaturdifferenz aufgrund der Wärmeübertragung und Wärmeleitung ist abhängig von der Antriebskonfiguration.
  • Die Wärmestrahlung ist jedoch unabhängig von dem Medium. Jeder Körper emittiert Wärme an seine Umgebung. Mit zunehmender Temperatur steigt auch die Intensität der Wärmestrahlung.

Wärmeverteilung entlang des Antriebssystems

Normierter Temperaturverlauf bei unterschiedlichen Antriebskonfigurationen: BG 75×25 und dreistufiges PLG 63 (oben) und BG 75×75 und einstufiges PLG 63 (unten).
Normierter Temperaturverlauf bei unterschiedlichen Antriebskonfigurationen: BG 75×25 und dreistufiges PLG 63 (oben) und BG 75×75 und einstufiges PLG 63 (unten).
(Bild: Dunkermotoren)

BG 75×75 und einstufiges PLG 63.
BG 75×75 und einstufiges PLG 63.
(Bild: Dunkermotoren)

Die Wärmeverteilung entlang der Antriebskombination ist in den nebenstehenden Abbildungen zu sehen. Man erkennt die Unterschiede im Temperaturverlauf je nach Baulänge. Die Wärmequelle bildet der Motor mit einer Temperatur von 120 °C. Die Abgabeleistung kann bei einem BG 75×25 in Kombination mit einem dreistufigen PLG 63 gesteigert werden, da die Erwärmung durch das Getriebe abgeführt werden kann. Wird hingegen ein kleineres Getriebe an einen leistungsfähigeren Motor angeschlossen, muss die zulässige Abgabeleistung reduziert werden, da im Nennarbeitspunkt die Betriebstemperatur des Getriebes von 60 °C überschritten wird. Bei einer Erwärmung über die Betriebstemperatur hinaus muss man mit einer verkürzten Lebensdauer rechnen.

Lebensdauerversuche von Motor-Getriebekombinationen

Erkenntnisse aus Lebensdauerversuchen von Motoren in Kombination mit Planetengetrieben zeigen, dass das Drehmoment und die Drehzahl nicht die alleinig bestimmenden Kenngrößen sind. Die Baugröße des Motors sowie das Untersetzungsverhältnis und die Anzahl der Getriebestufen besitzen einen wesentlichen Einfluss auf die Abgabeleistung. Auch ist die Verlustleistung des Getriebes ausschlaggebend für die Leistungsbetrachtung. Die maximale Erwärmung des Getriebes wird durch die Umgebungstemperatur und die Temperatur im inneren des Getriebes definiert. Die ergibt zusammen mit der Wärmeabfuhr des Planetengetriebes die maximal zulässige Verlustleistung. Ein uneingeschränkter Betrieb des Antriebs bei Dauerdrehmoment und Eingangsnenndrehzahl ist zulässig, wird die maximale Abgabeleistung und die Erwärmung berücksichtigt.

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Wie kann die Plattform mir helfen?

* Dr. Bruno Basler ist Head of R&D Predevelopment bei Dunkermotoren.

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