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Maschinen der unterschiedlichsten Art prägen unseren Alltag, sei es in der Industrie oder zu Hause. Dabei kommen verschiedene Arten von Motoren zum Einsatz: Verbrennungsmotoren, Hydraulikmotoren, pneumatische und elektrische Antriebssysteme. Letztere sind besonders weit verbreitet und stecken in großen und kleinen Anwendungen.
Definition des Begriffs elektrische Antriebstechnik
Als Antriebstechnik werden Systeme bezeichnet, die Energie von außen zugeführt bekommen und diese in mechanische Energie, sprich Bewegung, umsetzen. Bei der elektrischen Antriebstechnik wird elektrische Energie benutzt, die durch einen Elektromotor in kinetische Energie umgewandelt wird. Die physikalische Grundlage dieser Anwendung bildet das dynamoelektrische Prinzip. Der wesentlichen Bestandteile des Elektromotors sind der Rotor und der Stator. Der Rotor besteht aus einem Dauermagneten, der vom Stator (Spulen aus Kupferdraht) umgeben ist. Fließt Strom durch die Spulen, beginnt sich der Rotor zu drehen. Der Elektromotor ist praktisch ein Energiewandler. Das Drehmoment (Rotationsenergie) wird durch eine Reihe technischer Bauteile auf die Maschine oder Anlage übertragen.
Wo werden elektrische Antriebssysteme in Industrie und Alltag eingesetzt?
Die Beispiele für den praktischen Einsatz sind äußerst vielseitig. Es gibt fast keine Maschine oder Anlage, in der nicht ein elektrischer Antrieb eine mehr oder weniger große Rolle spielt. Die folgende Aufzählung stellt lediglich ein paar Beispiele dar:
- Fahrzeugantriebe, von der Lokomotive bis zum E-Scooter
- Elektrokräne
- Fertigungsstraßen, Werkzeugmaschinen
- Automatisierungstechnik
- Rolltreppen und Aufzüge
- Haushaltsgeräte wie Heizlüfter, Staubsauger, Ventilatoren, Zahnbürsten und viele andere Applikationen
Die Aufzählung ließe sich noch lange fortsetzen. Es gibt wahrscheinlich kaum einen Industriezweig, in dem die Elektrotechnik keine Rolle spielt. Unsere heutige Welt beruht auf der modernen elektrischen Antriebstechnik.
Warum sind elektrische Antriebe so weit verbreitet?
Das liegt daran, dass sie zahlreiche Vorteile haben und für viele Applikationen die optimale Lösung darstellen. Elektromotoren haben einen hohen Wirkungsgrad (Energieeffizienz). Die benötigte Energie lässt sich selbst über große Strecken relativ einfach und kostengünstig transportieren. Ein weiterer Pluspunkt elektrischer Motoren ist ihre Umweltfreundlichkeit. Sie erzeugen keine Abgase und laufen leiser als andere Antriebssysteme.
Auch in technischer Hinsicht steht der Elektromotor besser als der Verbrennungsmotor da. Elektromotoren benötigen weniger Wartung und Pflege. Sie lassen sich per Knopfdruck ein- und ausschalten und benötigen keine komplizierte Steuerung. Darum eignen sie sich gut für die Automatisierung. Sie können, je nach Anforderung, in beinahe beliebigen Größen hergestellt werden und arbeiten sehr zuverlässig. Deshalb sind sie so häufig die perfekte Antriebslösung.
Die wichtigsten Komponenten elektrischer Antriebssysteme
Die Komponenten bilden ein komplexes System, in dem sie wie die Glieder einer Kette ineinandergreifen und ein Teil vom anderen abhängt.
Am Anfang der Kette steht der Elektromotor. Er wandelt die zugeführte Elektroenergie durch das dynamoelektrische Prinzip in kinetische Energie um. Allerdings läuft der Elektromotor mit einer relativ konstanten Drehzahl. Viele elektrische Maschinen benötigen aber eine Regelung der Drehzahl und des Drehmoments, um sie den erforderlichen Bewegungsabläufen der Produktionsmaschinen anpassen zu können.
Dazu dienen mechanische Übertragungselemente wie Getriebe. Sie übertragen die Bewegungsenergie des Motors an die nachfolgenden Bauteile. Je nach Erfordernis bilden Motor und Getriebe eine Einheit oder werden als separate Bauteile gefertigt.
In vielen Fällen genügt das Regeln der Drehzahl durch einen Getriebeblock nicht mehr. Ein Frequenzumrichter wird vorgeschaltet und bietet mehr Möglichkeiten zur Steuerung der Bewegungsabläufe. Der Frequenzumrichter kann sowohl Drehrichtung und -moment verändern und exakt regeln. Das ist unverzichtbar für die Kontrolle der Prozessabläufe.
Die Bestandteile des Antriebssystems werden durch Sicherheits- und Kontrollelemente ergänzt, die das Bedienen erleichtern und die Abhängigkeit von Überwachung durch Techniker verringern. Zu dieser Gruppe von Bauteilen gehören zum Beispiel Sensoren und Elemente der Steuerungstechnik, die mithilfe von Software und Controller die Systeme automatisch steuert und sicherer macht.
Zu den Sicherheitselementen gehören unter anderem Bremsen, Notaus-Schalter und Geber, die den Motor bei Überschreitung bestimmter Kennzahlen automatisch abschaltet. Durch diese intelligenten Bauteile wird die Sicherheit wesentlich verbessert.
Je nach den Anforderungen und Auslegung können auch Abtriebselemente zum Antriebssystem gehören. Sie wandeln die Drehbewegung des Elektromotors in eine lineare Bewegung um. Im industriellen Einsatz kommen Walzen, Räder oder Seiltrommeln zur Verwendung. Sie werden zum Betrieb von Elektrofahrzeugen oder Kränen und Winden verwendet.
Stromversorgung elektrischer Antriebe
Die überwiegende Mehrheit der im Einsatz befindlichen Systeme werden über das öffentliche Netz mit Strom (häufig Drehstrom, auch Kraftstrom genannt) betrieben. Um wirtschaftlich arbeiten zu können, sind die Anwender gezwungen, den Strom möglichst günstig zu beziehen. Dabei hilft ein Stromvergleich. Er ist nicht nur für Privatkunden, sondern auch für Geschäftskunden sinnvoll.
In jüngster Zeit gewinnt jedoch die Stromversorgung durch Akkus immer mehr an Bedeutung. Im industriellen Bereich betraf das lange Zeit nur Gabelstapler und elektrische Flurförderfahrzeuge. Durch die rapiden Fortschritte in der Batterietechnik erscheinen aber in jüngster Zeit die ersten Elektro-Lkw und Busse auf dem Markt.
Wer stellt elektrische Antriebssysteme und deren Komponenten her?
Deutschland ist das klassische Land des Maschinenbaus. Daher ist es keine Überraschung, dass es auf diesem Gebiet ungefähr 2 Dutzend überregionale Hersteller gibt. Dazu kommen weitere regionale Unternehmen, die Antriebssysteme und -komponenten herstellen. Große überregionale Firmen liefern komplexe Anlagen zur sofortigen Inbetriebnahme. Kleinere Hersteller sind oft Zulieferer und hoch spezialisiert. Sie stellen z.B Servomotoren in einem weiten Leistungsbereich her. Nicht selten handelt es sich um mittelständische Unternehmen, die auf ihrem Gebiet zu den Weltmarktführern gehören. Die Hersteller sind in speziellen Vergleichsportalen für Geschäftskunden (B2B) gelistet.
Zusammenfassung
Als elektrische Antriebstechnik werden komplexe Systeme bezeichnet, die Strom aus dem Netz oder aus einem Akku oder einer Batterie in Bewegungsenergie umwandeln. Derartige Systeme sind weit verbreitet, weil sie viele Vorteile haben. Sie können in einem weiten Leistungsbereich von weniger als 1 Watt bis zu vielen tausend Watt gebaut werden und sind sicherer und umweltfreundlicher als andere Antriebsarten. Da der Strom in der Mehrzahl der Fälle aus dem öffentlichen Netz bezogen wird, lohnt sich ein Stromvergleich, um die Betriebskosten so gering wie möglich zu halten.
Seit kurzem verbreiten sich autonome Antriebssysteme immer mehr, die den Strom aus mitgeführten Akkus beziehen. An diesem Beispiel zeigt sich, dass die technische Entwicklung ständig voranschreitet und auch um diesen Bereich keinen Bogen macht. Ganz im Gegenteil, die Bedeutung von elektrischen Antrieben wird mit großer Wahrscheinlichkeit in Zukunft weiterwachsen und völlig neue Anwendungsgebiete werden erschlossen werden, die zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch gar nicht abzusehen sind.
