Doppelmotor ermöglicht leistungsstarke Antriebe mit kleinen Abmessungen

Hochgeschwindigkeitsmotoren werden in weiten Leistungs- und Drehzahlbereichen bis etwa 1000 kW oder bis 300000 min–1 von der Kemmerich Elektromotoren GmbH & Co. KG in Gummersbach gefertigt. Diese werden mit Unterstützung neuester Hochtechnologien in Zusammenarbeit mit führenden Spindel- und Hauptspindel-Komponentenherstellern wie Parvex, Ate, E+A, Sycotec, SKF-SNFA, Timken, Inpro/Seal sowie Schaeffler Lineartechnik gebaut.

Lagermontage erfordert höchste Präzision

Alle hochdrehenden Elektromotoren als Synchron- oder Asynchronmaschinen werden vor der Fertigung auf Wellensteifigkeit, biegekritische Drehzahlen und Temperaturentwicklung berechnet. Diese werden von der Dr.-Ing. Ernst Braun GmbH oder der RWTH Aachen mit Spindelberechnungsprogrammen von FAG, Timken, SKF oder WZL-Fraunhofer IPT Aachen Winlager berechnet (kritische Drehzahlen 1. bis 4. Ordnung, dynamische FEM-Analyse und Darstellung). Bei Hightec werden die hauptsächlich wassergekühlten High-Speed-Motoren mit Keramik- oder Gleitlagern einschließlich Ölnebelschmierung oder Ölumlaufschmierung versehen.

Bei der Montage ist höchste Präzision gefragt. Nur so lässt sich eine lange Lebensdauer gewährleisten. Die Toleranzbereiche bei der Fertigung der Einzelteile bewegen sich teilweise im Zehntelmikrometerbereich. Grundlage für die extrem genauen Fertigungsabmessungen sind die im Barden-Katalog für Spindellager genannten Angaben über das vorhandene Spiel zwischen Kugeln und Lagerringen von 0,000015“, was 0,38 µm entspricht. Im Vergleich dazu sind die Partikel im Tabakrauch mit 2,54 µm bereits bis 6,7 mal größer.

Gute Kontakte zu den Lieferanten für Präzisions-Montage erforderlich

Aus diesem Grund wird auch bei der Fertigung, dem Winkeleinbau der Lager, der Wuchtung und der Montage eine außergewöhnlich hohe Präzision verlangt. Um dies zu gewährleisten hält der Hersteller gute persönliche Kontakte zu allen notwendigen Produzenten und passgenau arbeitenden, zuverlässigen Werkstätten. Er kann auf Erfahrungswerte zurückgreifen, wo selbst namhafte andere Hersteller auf Hilfe von außen angewiesen sind.

Bei großen Elektromaschinen ergibt sich so ein hoher Fertigungspreis. Deshalb baut der Hersteller auf Kundenwunsch zwei wesentlich preiswertere Listenmotoren hintereinander (oder im Winkel von 90 oder 180° an). Genauso wie er es bei der Fertigung der rotierenden Frequenzumformer macht.

Dazu wird ein Grundrahmen aus U- oder Doppelstahlträgern geschweißt, auf dem über Schwingmetalle ein zweiter Rahmen mit einer geschliffenen Stahlplatte sitzt, auf dem die Motoren passgenau mittels Hochgeschwindigkeitskupplung montiert werden.

Doppelmotorausführung ist preiswerter als Einzelmaschine

So ergeben zwei Listenmotoren mit 270 kW und 30000 min–1 zum Beispiel einen Doppelmotor mit 540 kW bei ebenfalls 30000 min–1. Der Endpreis beträgt dadurch nur etwa 50% des Preises einer Einzelmaschine der gleichen Leistung.

Der Preis eines Einzelmotors mit 540 kW ist auch deshalb so hoch, weil wegen der enormen Fliehkräfte und der Verlustwärme durch Reibung bei diesen großen Radialkräften keine Spindellager mehr eingesetzt werden können. Magnetlager verteuern jedoch das Produkt auch wegen der notwendigen Sensorik, der Lageerfassung des Rotors im Stator und der Nachregelung über die Elektronik.

Schnelllaufgetriebe und Turbo- oder High-Speed-Untersetzungs-Planetengetriebe in Hightec-Ausführung reduzieren bei Bedarf die Drehzahl in der 1. Stufe mit beispielsweise i = 15,4 auf 1948 min–1. Gleichzeitig wird das Drehmoment entsprechend erhöht.

Kleine Planetengetriebe genügen den Ansprüchen

Die Abmessungen dieser Ausführung betragen nur einen kleinen Teil der Dimension eines Normmotors, weil die Leistung über die hohe Drehzahl erzeugt wird und die Planetengetriebe sehr klein gefertigt werden können. So hat die 540-kW-Einheit (zwei Motoren mit der 1. Getriebestufe) nur einen Durchmesser von 400 mm und ist lediglich 1000 mm lang (Bild 2).

Durch weitere Untersetzungen können die Drehmomente weiter gesteigert werden, so dass bei 3-stufiger Untersetzung mit i = 98,2 und etwa 20 min–1 zirka 260000 Nm erreicht werden. Je nach Durchmesser des Endritzels oder Länge des Hebelarmes können damit hohe Hebelasten von 500 bis 1000 KIP (kip-force, 1 KIP entspricht etwa 4,448 kN) und mehr erreicht werden. Auch dieses Getriebe ist koaxial oder winklig nur etwa 1600 mm lang einschließlich einer Abtriebswelle von D = 340 mm × 540 mm.

Hochgeschwindigkeitsmotoren kommen mit wenig Platz aus

Die Mini-Dimensions-High-Speed-Getriebemotoren eignen sich besonders dort, wo geringer Platz eine große Rolle spielt. Einsatzgebiete der einzelnen Hochgeschwindigkeitsmotoren (Bild 3) sind Zentrifugen, Prüfstände, Turbinen zum Antrieb oder zur Energiegewinnung, Werkzeugbearbeitungsmaschinen, Mischgeräte, Vakuumerzeuger, Druckeinspritzmaschinen zur Rauchgasentschwefelung oder Energiespeicher. Sie eignen sich vor allem bei hohen Leistungen, besonders, wenn es um platzsparende, preisgünstige Varianten geht, auch mit Getrieben in Jack-up-Systemen (dienen zum Ein- und Ausfahren der Tragsäulen in Hubbohrinseln).

Ing. Karl-Heinz Kemmerich ist Geschäftsführer der Kemmerich Elektromotoren GmbH & Co. KG in GummersbachWindhagen.