Elektrische Antriebe im Überblick

Im Sprachgebrauch werden „Motor“ und „Antrieb“ oft gleichgesetzt. In der technischen Praxis sind das aber zwei verschiedene Dinge. Der Motor wandelt elektrische in mechanische Energie um – mehr nicht. Ein elektrischer Antrieb ist das ganze System rund um diesen Motor: die Energieversorgung, die Leistungselektronik zum Schalten und Regeln, die mechanische Übertragung zur Arbeitsmaschine, die Sensorik für die Rückmeldung und die übergeordnete Steuerung oder Regelung.

Typische Aufgaben elektrischer Antriebe in Industrie und Gewerbe:

• Pumpen, Lüfter und Kompressoren in der Gebäudetechnik
• Förderbänder und Rollenförderer in der Logistik
• Achsen in Werkzeugmaschinen und Robotern
• Hub- und Fahrwerke in Aufzügen und Kranen
• Antriebsstränge in Elektrofahrzeugen
• Kleinantriebe in Haushaltsgeräten und Werkzeugen

Über alle diese Anwendungen hinweg gilt: Wer einen Antrieb planen, in Betrieb nehmen oder warten will, muss das gesamte System verstehen – nicht nur den Motor.

So unterschiedlich die Bauformen sind: Jeder elektrische Motor nutzt im EM-Kern das Zusammenspiel zweier Magnetfelder. Ein stationäres Feld – meist im Ständer (Stator) – und ein bewegliches Feld – meist im Läufer (Rotor). Die beiden Felder „wollen“ sich gegenseitig ausrichten. Wenn das eine Feld dem anderen vorauseilt, wirkt eine Kraft auf den Läufer und es entsteht ein Drehmoment.

Konkret arbeitet diese Kraftbildung mit zwei Mechanismen: der Lorentzkraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld und der Anziehung zwischen Magnetpolen. Welcher Mechanismus dominiert, hängt vom Motortyp ab.

Damit aus einem einmaligen „Ruck“ eine kontinuierliche Drehbewegung wird, muss eines der beiden Felder umlaufen oder umgeschaltet werden:

• Beim Drehstrommotor erzeugen drei räumlich versetzte Spulen, die mit drei zeitlich versetzten Strömen gespeist werden, ein Drehfeld im Ständer. Der Läufer folgt diesem Drehfeld.
• Beim Gleichstrommotor läuft das Magnetfeld nicht von alleine um. Stattdessen schaltet ein mechanischer Kommutator (Stromwender) den Strom im Läufer ständig um, sodass die Kraftrichtung passt.
• Beim bürstenlosen Motor (BLDC, PMSM) übernimmt eine elektronische Steuerung diese Umschaltung über Halbleiterschalter im Umrichter.

Aus Drehmoment und Drehzahl ergibt sich die mechanische Leistung an der Welle:

Diese Beziehung ist die wichtigste Brücke zwischen den beiden Welten Mechanik und Elektrotechnik: Wir liefern elektrische Leistung an den Motor und holen mechanische Leistung an der Welle heraus.

Wer einmal die Systematik im Kopf hat, kann jeden konkreten Motor schnell einordnen. Im Wesentlichen unterscheidet man nach der Stromart, mit der der Stator gespeist wird, und nach der Art, wie der Läufer arbeitet.

Drei kurze Einordnungen sollten reichen, um sich die Systematik einzuprägen:

Gleichstrommotoren brauchen entweder Gleichspannung aus einer Batterie oder einen Stromrichter, der aus Wechsel- oder Drehstrom Gleichspannung macht. Sie unterscheiden sich nach der Verschaltung von Erreger- und Ankerwicklung – Nebenschluss, Reihenschluss und Doppelschluss sind die klassischen Bauarten. Sie sind einfach in der Drehzahl zu regeln, brauchen aber meist Bürsten und Kommutator – das bedeutet Wartung. In modernen Industrieanlagen werden sie immer seltener; ihre Stärken liegen in Klein- und Sonderanwendungen sowie historisch in Bahn- und Hebezeuganwendungen. Die Bauarten und ihre Eigenschaften werden in einem eigenen Beitrag vertieft.

Drehstrommotoren sind die Arbeitspferde der Industrie. Der Asynchronmotor mit Käfigläufer ist der mit Abstand häufigste – robust, wartungsarm und günstig. Der Synchronmotor läuft exakt mit der Netzfrequenz und ist bei großen Generatoren und in geregelten Antrieben (Permanentmagnet-Synchronmotor PMSM, BLDC) Standard.

Einphasen- und Sonderbauformen kommen ins Spiel, wenn nur Wechselstrom 230 V verfügbar ist (Kondensatormotor, Spaltpolmotor), wenn man bewusst hohe Drehzahlen aus einem Handgerät holen will (Universalmotor) oder wenn das Bewegungsprofil besonders ist (Schrittmotor für Positionierung, Linearmotor für lineare Bewegung).

Jeder dieser Typen wird in einem eigenen Beitrag detailliert behandelt. Hier reicht: Du weißt, wo welcher Motor in der Familie steht.

Ein Motor an seinen Klemmen, an dem Drehstrom anliegt – das ist noch kein nutzbarer Antrieb. Damit Energie kontrolliert vom Netz zur Arbeitsmaschine fließt, hängen mehrere Komponenten in Reihe. Diesen vollständigen Strang nennt man Antriebsstrang.

Die fünf Hauptglieder im Energiefluss:

Energieversorgung. Aus dem Netz (1~ 230 V, 3~ 400 V) oder aus einer Gleichspannungsquelle (Batterie, PV-Speicher) wird die Eingangsenergie bereitgestellt. Davor sitzen Schalt- und Schutzgeräte (Hauptschalter, Sicherung, Leitungsschutzschalter, FI/RCD).

Leistungselektronik. Hier wird die Energie geformt: gleichgerichtet, geschaltet, in Frequenz und Spannung verändert. Typische Geräte sind Frequenzumrichter, Sanftanlaufgeräte, Stromrichter und Servoumrichter. Sie sind das Stellglied im Antriebsstrang. Frequenzumrichter, Sanftanlauf und Bremsverfahren werden in eigenen Beiträgen vertieft.

Motor. Wandelt die elektrische Leistung in mechanische Leistung.

Mechanische Übertragung. Kupplungen, Getriebe und Riementriebe passen Drehzahl und Drehmoment an die Arbeitsmaschine an. Ein 4-poliger Asynchronmotor dreht typischerweise mit knapp 1500 1/min – ein Förderband braucht aber oft nur 50 1/min. Diese Übersetzung leistet das Getriebe.

Last (Arbeitsmaschine). Das eigentliche Werkzeug: Pumpe, Lüfter, Förderband, Roboterachse, Spindel.

Quer dazu laufen zwei wichtige Pfade:

• Die Sensorik misst Drehzahl, Lage, Strom, Spannung und Temperatur und meldet diese Werte zurück.
• Die Steuerung oder Regelung (häufig eine SPS, manchmal ein Servoumrichter mit eigener Regelung) gibt Sollwerte vor, vergleicht sie mit den Messwerten und stellt die Leistungselektronik nach.

Wer in der Praxis Antriebe auslegt, prüft oder vergleicht, kommt um die zentralen Kenngrößen nicht herum. Die Details (M-n-Kennlinie, Typenschild, IE-Klassen) werden in eigenen Beiträgen vertieft. Hier die Übersicht:

Drehmoment M (Nm). Die Drehkraft, die der Motor an seiner Welle abgibt. Sie hängt vom Magnetfeld und vom Strom ab.

Drehzahl n (1/min). Wie schnell sich die Welle dreht. Beim Asynchronmotor hängt sie von der Netzfrequenz, der Polpaarzahl und der Belastung ab.

Winkelgeschwindigkeit ω (rad/s). Die Drehzahl in der „physikalischen“ Einheit. Umrechnung: ω = 2·π·n / 60.

Mechanische Leistung P (W oder kW). Das Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit:

Wirkungsgrad η. Verhältnis von abgegebener mechanischer zu aufgenommener elektrischer Leistung. Typische Werte für Industriemotoren: 80 bis 95 %. Details und die IE-Wirkungsgradklassen werden in einem eigenen Beitrag behandelt.

Spannung U, Strom I, Frequenz f. Die elektrischen Eingangsgrößen. Bei Drehstrommotoren werden Strang- und Außenleiterwerte unterschieden – das gehört zur Schaltungsart Stern/Dreieck und wird in einem eigenen Beitrag erklärt.

Polpaarzahl p. Sie zählt, wie viele Polpaare das Magnetfeld im Stator hat. Achtung: Ein „4-poliger Motor“ hat 4 Pole, also 2 Polpaare (p = 2).

Synchrondrehzahl n_s (1/min). Die Drehzahl, mit der das Drehfeld im Stator umläuft:

Beim Synchronmotor läuft der Läufer genau mit n_s. Beim Asynchronmotor läuft er etwas langsamer; die Differenz nennt man Schlupf.

Das Typenschild fasst die wichtigsten Kenngrößen für den Praxiseinsatz zusammen – Nennleistung, Nennstrom, Nennspannung, Nenndrehzahl, Frequenz, Wirkungsgrad, Schaltungsart, Schutzart. Das Lesen des Typenschilds und die Bedeutung jeder Kenngröße ist ein eigenere Beitrag.

Ein Antrieb durchläuft im Betrieb verschiedene Phasen. Sie zu kennen ist wichtig, weil sich für jede Phase eigene technische Lösungen entwickelt haben – die jeweils einen eigenen Beitrag wert sind und hier nur eingeordnet werden.

Anlauf. Beim direkten Einschalten am Netz (DOL, „Direct on Line“) ziehen vor allem Drehstrom-Asynchronmotoren das 5- bis 8-fache des Nennstroms. In kleinen Anlagen ist das kein Problem; bei größeren Motoren würde das Netz zusammenbrechen oder Schutzgeräte auslösen. Deshalb gibt es Stern-Dreieck-Anlauf, Sanftanlaufgeräte, Frequenzumrichter und – seltener – Anlasstransformatoren. Anlaufverfahren werden in eigenen Beiträgen vertieft.

Nennbetrieb. Der Motor liefert dauerhaft die auf dem Typenschild angegebene Leistung. Wirkungsgrad und Temperatur sind hier optimiert.

Drehzahlstellung. Bei Drehstrommotoren wird heute meist die Frequenz gestellt (Frequenzumrichter); klassische Verfahren sind Polumschaltung und – beim Schleifringläufer – Rotorwiderstand. Beim Gleichstrommotor läuft die Drehzahlstellung über die Ankerspannung oder die Schwächung des Erregerfeldes (Feldschwächung). Auch das wird in eigenen Beiträgen behandelt.

Bremsen. Ein Antrieb muss auch zum Stillstand kommen können – kontrolliert, schnell und ohne den Motor zu beschädigen. Möglichkeiten: generatorisches Bremsen über den Umrichter, Gegenstrombremsen, Gleichstrombremsung, mechanische Bremsen. Bremsverfahren bei Asynchronmotoren werden in einem eigenen Beitrag detailliert.

Über all diesen Phasen liegt ein gemeinsames Bild: der 4-Quadranten-Betrieb.

In den Quadranten I und III arbeitet der Motor „motorisch“ – er nimmt elektrische Leistung auf und gibt mechanische Leistung ab. In den Quadranten II und IV arbeitet er „generatorisch“ – die Last treibt den Motor an und Energie fließt zurück in den Umrichter oder in einen Bremswiderstand. Vier-Quadranten-fähige Antriebe können in allen vier Bereichen kontrolliert betrieben werden; sie sind Standard bei Aufzügen, Servoachsen und E-Fahrzeugen.

Schließlich gibt es die genormten Betriebsarten S1 bis S10 nach ÖNORM EN IEC 60034-1. Sie beschreiben, wie ein Motor zeitlich belastet wird – das ist für die Dimensionierung wichtig, weil ein Motor, der nur kurz unter Last steht, kleiner sein darf als einer im Dauerbetrieb. Die in der Praxis weitaus häufigsten sind:

S4 bis S10 decken Sonderfälle ab – Aussetzbetrieb mit Anlauf- bzw. Bremseinfluss, ungleichmäßige Belastung, Drehzahländerung. In Auslegung und Prüfung in Österreich wird vor allem mit S1, S2 und S3 gerechnet, der gesamte Bereich S1–S10 sollte aber bekannt sein.

Den „besten Motor“ gibt es nicht. Es gibt den passenden für eine konkrete Anwendung. Bei der Auswahl spielen mehrere Kriterien zusammen:

• Stromart vor Ort: Einphasen 230 V, Drehstrom 400 V oder Gleichspannung?
• Leistungsbereich: vom Watt-Bereich (Lüfter, Pumpe im Haushalt) bis zu mehreren MW (Walzwerk, Schiffsantrieb).
• Drehzahlbereich und Regelbarkeit: konstant oder veränderlich, mit oder ohne Positionierung?
• Drehmomentverlauf: Anlaufmoment, Kippmoment, Verhalten unter Teillast.
• Umgebung: Schutzart (IP), Temperaturbereich, ATEX-Anforderungen.
• Wirkungsgrad und Energiekosten: über die Lebensdauer oft der größte Kostenfaktor.
• Wartungsaufwand und Lebensdauer.
• Anschaffungs- und Folgekosten.

In Österreich und der EU gelten für viele Industriemotoren mit drei Phasen verbindliche Mindest-Wirkungsgradklassen nach der IE-Systematik (IE1 bis IE4). Welche Klasse für welchen Anwendungsfall mindestens vorgeschrieben ist, ergibt sich aus der Ökodesign-Verordnung; die Details und die Systematik IE1–IE4 werden in einem eigenen Beitrag behandelt.

Eine grobe Zuordnung, die in der Praxis als Ausgangspunkt taugt: