November 2019
Für den Einsatz mobiler Arbeitsgeräte sind zwei wesentliche Faktoren entscheidend: zum einen muss die zur Verfügung stehende Leistung der Aufgabe entsprechen, zum anderen sollte der mitgeführte Energievorrat für die zu erbringende Arbeitsleistung ausreichend bemessen und schnell „nachzufüllen“ sein. Im Fall der autarken Elektromobilität mit Stromversorgung durch Akkus ist das eine anspruchsvolle Aufgabe. Langlebige, wartungsfreie Antriebe besonders für akkubetriebene mobile Antriebslösungen wie Geländemotorräder oder laufruhige Kehrmaschinen sind daher eine Herausforderung an die Ingenieurskunst.
Elektrische Systeme gelten heute als umweltfreundlichste Technik für jegliche Art des Antriebs. Neue Magnetmaterialien, gepaart mit aufwendiger, computergestützter Simulation erlauben es Leistungsdichten und Drehmomentkurven zu erzielen, die Verbrennungsmotoren bei gleichem Gewicht und Volumen deutlich übertreffen. Wird Wert auf möglichst hohes Drehmoment bei geringer Bauhöhe und hohem Wirkungsgrad gelegt, bieten sich besonders Synchron-Scheibenläufermotoren an. Gerade mobile Maschinen stellen hohe Anforderungen an die Antriebstechnik. Neben langer Einsatzdauer bzw. hoher Reichweite sollen die Antriebe leistungsstark und kompakt sein. HEINZMANN hat jetzt darauf mit seinen Scheibenläufermotoren PMS 212 und PMS 215 reagiert: Die Baugröße wurde um 30 % reduziert sowie das Drehmoment gleichzeitig erhöht, bei weiter verbessertem Wirkungsgrad. Das sind Eigenschaften, die im Praxisalltag oft entscheidende Pluspunkte bringen. Je nach eingesetztem Motorregler ist dabei auch ein 4-Quadrantenbetrieb mit Rekuperation möglich, was die Reichweite weiter steigert.
Bürstenlos fegen und bewegen
Die neuen Motoren erlauben mit ihren günstigen Leistungswerten deutliche Verbesserungen, bei mobilem Einsatz in völlig unterschiedlichen Bereichen. So profitierten Kommunalfahrzeuge bei ihren äußerst rauen Einsatzbedingungen enorm vom deutlich höheren Drehmoment und der besseren Abdichtung. Die Vorteile z. B. für eine Kehrmaschine im Innenstadtbereich liegen im besseren Wirkungsgrad und dem sehr geringen Betriebsgeräusch. Im Falle einer voll elektrischen, akkubetriebenen Kehrmaschine mit 2 m³ Abfalltank bei 1,5 t Zuladung bedeutet das in der Praxis eine um 10 dB oder rund 75 % reduzierte Geräuschentwicklung gegenüber dem Dieselmotorantrieb. Außerdem ist der Frequenzbereich für das menschliche Gehör angenehmer. Die durchschnittliche CO2-Einsparung beträgt ca. 26 t im Jahr gegenüber dem üblichen Dieselantrieb und es entsteht keine Geruchsbelästigung. Die EC-Scheibenläufermotoren erlauben bis zu 8 Stunden Betriebszeit und bewegen das Fahrzeug über Steigungen bis 30 % problemlos. Im reinen Fahrbetrieb werden rund 40 km/h erreicht, das ist im innerstädtischen Bereich mehr als ausreichend, um auch entferntere Einsatzgebiete ohne Zeitverlust zu erreichen. Die wartungsfreien Antriebe reduzieren nebenbei noch die Betriebskosten um rund 75 % gegenüber den wartungsintensiveren Dieselmodellen.
Mobile EC-Antriebstechnik
Doch auf welcher Grundlage basieren solche anwendungsspezifisch optimierten Antriebe? Für bewegte Systeme gilt allgemein: je weniger Masse in Bewegung gesetzt werden muss, umso geringer ist der dazu nötige Energieaufwand. Gleichzeitig steigt bei gleichem Energieeinsatz die Dynamik, d. h. schnelleres Beschleunigen und Abbremsen sind möglich. Diese Tatsache gilt natürlich auch für die Motoren selbst, je leichter z. B. der Rotor, umso agiler beschleunigt der Antrieb. Doppeltwirkende Scheibenläufermotoren eignen sich daher besonders für dynamische Bewegungsabläufe, da sie erstens massearm, also sehr kompakt aufgebaut sind und zweitens bauartbedingt durch den vergleichsweise großen Rotordurchmesser ein hohes Drehmoment bei sehr guter Materialausnutzung bieten. Die beidseitige Spulenanordnung ermöglicht eine gute Ausnutzung der Magnete und so eine entsprechende Leistungsdichte bei guter Kühlmöglichkeit. Der patentierte Rotoraufbau, u.a. mit Hochleistungs-Permanent-Magneten, reduziert zudem das Trägheits- und Rastmoment. Das macht die Motoren zur ersten Wahl für dynamische Antriebslösungen, zumal sie auch kurzzeitig erhebliche Überlast bis zu 400 % tolerieren. Die Synchronmaschinen bieten dabei einen breiten, sehr gut regelbaren Drehzahl- und Leistungsbereich. Bei mobilem Betrieb mit Akkus garantiert der hohe Wirkungsgrad eine lange Laufzeit.
Gut gekühlt mehr Power und Effizienz
Verluste in Elektromotoren erzeugen Wärme. Die erhöhten Temperaturen wiederum lassen sowohl den Isolierlack der Wicklung wie auch die Lebensdauerfettfüllung der Kugellager schneller altern, daher müssen auch Elektromotoren ihre Abwärme möglichst gut abführen können. Zudem erhöht sich mit steigender Temperatur der Widerstand der Kupferwicklung, was die Verlustleistung steigert und den Wirkungsgrad verringert. Für den Motorenhersteller war das gleich mehrfacher Ansporn, die Luftkühlung zu optimieren. Bei den beiden Scheibenläufer-Motoren wurden daher die Lagerdeckel völlig neu aufgebaut. So wurden Kühlung und Stabilität durch Verstärkungsstege deutlich verbessert und die axiale Länge um rund 30 mm reduziert. Die bessere Kühlung wiederum erlaubt eine Leistungssteigerung um rund 30 % bei gleichem Temperaturniveau. Für die nahe Zukunft ist eine weitere Leistungssteigerung durch Erhöhung der Motordrehzahl von 6.000 auf 8.000 bis 10.000 U/min geplant. Wird keine Spitzenleistung gefordert, verbessert die insgesamt geringere Betriebstemperatur die Lebensdauer von Wicklung und Lager.
Alltagstauglich, robust auch im Gelände
Die Lebensdauer der Lager ist bei Elektromotoren nicht nur temperaturabhängig, auch der Schutz gegen Flüssigkeit und Staub, sprich gegen Umgebungsbedingungen, spielt eine wesentliche Rolle. Durch eine völlig neu entwickelte Abdichtung ist nun die Rotorlagerung selbst gegen extreme Schmutzeinwirkung geschützt. Gerade im Gelände oder bei aufgewirbeltem Straßenstaub erhöht sich dadurch die Lebensdauer deutlich. Zusammen mit der neu gestalteten Anschlussbox erfüllen die Motoren damit nun die Schutzart IP6K9K, sind also für den rauen mobilen Einsatz gerüstet. So profitieren E-Fahrzeuge im Geländeeinsatz von der besseren Abdichtung. Die Lager sind nun staubdicht und vor Berührung ebenso geschützt wie gegen eindringendes Wasser bei Hochdruck- oder Dampfstrahlreinigung nach dem Einsatz. Zudem ist in dieser mobilen Anwendung hohes Drehmoment, dynamisches Verhalten und nicht zuletzt hoher Wirkungsgrad gefragt; Anforderungen, die die Scheibenläufer PMS 212/215 optimal erfüllen können.
Für den Konstrukteur ändert sich durch die verbesserte Abdichtung nichts, alle Anschlussmaße sind identisch zu den Vorgängermodellen. Die neuen Gehäusedeckel erlauben dabei sogar noch eine einfachere kundenspezifische Anpassung. Bei vom Standard abweichenden Anschlussdurchmessern für den Zentrierflansch oder die Befestigungsbohrungen können nun Teilkreise von 55 bis 83 mm für den Flansch und zwischen 105 bis 190 mm für die Gewindebohrungen gefertigt werden. Die neu gestaltete Anschlussbox bietet noch dazu eine interne Verdrahtung für Stern/Dreieckschaltung und ist nur noch mit drei Leistungskabelanschlüssen (U,V,W) und einem Sensorkabelanschluss nach außen versehen. Der mögliche Leistungskabel-Querschnitt wurde erhöht, um den gerade bei kleineren Spannungen auftretenden Leitungsverlust durch hohe Stromstärken (bis zu 250 A Dauerstrom bei 48 V / 10 kW, kurzzeitiger Anlaufstrom bis 1.200 A) zu minimieren.
Die beiden neuen Kraftzwerge bieten durch die evolutionären Verbesserungen nun bei 230 bzw. 274 mm Durchmesser und 117 bzw. 155 mm axialer Einbaulänge (PMS 212 bzw. PMS 215) Dauerleistungen von 9 bzw. 15,5 kW an der Welle. Die Versorgungsspannung kann je nach Einsatzbereich oder Akkuauswahl zwischen 48 und 560 VDC gewählt werden. So lassen sich bei Bedarf die jeweiligen Akkus im mobilen Betrieb schnell mit hoher Leistung nachladen und Betriebspausen deutlich verkürzen. Moderne EC-Scheibenläufermotoren erlauben damit heute eine große Zahl von Anwendungen auf umweltfreundliche, sogenannte Null-Emissionsantriebe umzustellen. Dank robustem Aufbau, hohem Wirkungsgrad und Anlaufdrehmoment sowie gesteigerter Überlastfähigkeit bringen sie auch in anspruchsvollen Einsatzgebieten Bewegung in die Mechanik.
Die neue Motorengeneration zeichnet sich durch ein stark verripptes Gehäuse mit sehr guter Wärmeabgabe aus.
(Quelle: Heinzmann GmbH & Co. KG)
Der neue Anschlusskasten erfüllt die Schutzart IP6K9K und erlaubt größere Kupferquerschnitte für verlustarme Stromversorgung.
(Quelle: Heinzmann GmbH & Co. KG)
Akkubetriebene Kehrmaschinen arbeiten dank Scheibenläufermotor abgasfrei und mit geringstem Betriebsgeräusch.
(Quelle: Heinzmann GmbH & Co. KG)
Zusammen mit der neu gestalteten Anschlussbox erfüllen die PMS Motoren der 2. Generation die Schutzart IP6K9K.
(Quelle: Heinzmann GmbH & Co. KG)
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