Pictures of the Future Frühjahr 2006
Elektromaschinen – Trends
Starker Antrieb
Im 19. Jahrhundert hat insbesondere Siemens elektrischen Maschinen zum Durchbruch verholfen. Auch heute noch ist es eine Kunst, Strom gezielt in Bewegung umzusetzen. Siemens-Entwickler machen moderne Motoren leistungsfähiger, Energie sparender und flexibler einsetzbar. Letztlich geht es darum, einzelne Komponenten zu einem harmonischen Antrieb zusammenzufügen.
Blick durch den Motor: Rolf Vollmer hat mit seinem Team Elektromotoren mit besonders hohem Drehmoment entwickelt (Bild oben). Die 65-MW-Maschinen, die Siemens für eine Gasverflüssigungsanlage in Hammerfest liefert, sind die leistungsstärksten, die je gebaut wurden (unten rechts); große Motoren stecken auch in speziellen Siemens-Schiffsantrieben (unten links)
Der Elektromotor wurde vor etwa 170 Jahren erfunden und seitdem ständig weiterentwickelt. Man könnte daher annehmen, die Technik sei ausgereizt, doch Experten reagieren entrüstet auf die Frage, ob noch große Innovationssprünge möglich seien. "Und ob", entgegnet Rolf Vollmer, einer der Siemens-Erfinder des Jahres 2005 und Entwickler bei Automation and Drives (A&D) in Bad Neustadt. "In der Antriebstechnik gibt es viele Neuerungen, etwa unsere Motoren, die bei derselben Größe mehr als das doppelte Drehmoment schaffen. Wenn das kein Sprung ist!"
"Unsere Bandbreite bei den Antrieben ist gigantisch", ergänzt Dr. Gerd-Ulrich Spohr, Leiter der Strategieabteilung Technik bei A&D in Nürnberg. "Einige Motoren sind Spezialanfertigungen in geringer Stückzahl, von anderen laufen mehr als eine Million pro Jahr vom Fließband." Die kleinsten Elektromotoren sind nicht größer als eine Zigarettenschachtel und bewegen zum Beispiel bei Computertomographen die Patientenliege. Die größten Maschinen arbeiten in Schiffen oder transportieren Gas von Förderanlagen auf See zur Küste. Die Leistung reicht von einigen Watt bis zu 100 MW; Generatoren in Kraftwerken erreichen sogar über 1000 MW. Die Drehzahlen reichen von einigen wenigen Umdrehungen pro Minute (U/min) etwa bei Windrädern (Insert) bis zu 15 000 U/min bei Gaskompressoren. Siemens-Motoren bringen Züge auf 350 km/h (Hochgeschwindigkeitszüge und Schienenverkehr), beim Transrapid sogar auf Tempo 500, ermöglichen exakte Bewegungen von Schweißrobotern oder befördern Koffer am Flughafen.
Riesig ist auch der Markt: Allein in Deutschland wurden 2005 rund 8,5 Mrd. € mit elektrischen Antrieben umgesetzt. Besonders innovative Segmente wie drehzahlvariable Synchronmotoren wachsen weltweit um über 10 % im Jahr. In den vergangenen 15 Jahren entstand vor allem durch Konkurrenz aus Asien enormer Kostendruck, dem Siemens erfolgreich standhielt. Heute wächst A&D mit seinen 60 000 Mitarbeitern schneller als der Markt und ist in den meisten Leistungsklassen führend. Zuletzt verstärkte sich A&D durch den Kauf des deutschen Getriebe- und Antriebsherstellers Flender und der US-Firma Robicon, die auf Umrichter für große Antriebe für die Öl-, Gas- und Wasserindustrie spezialisiert ist.
Entwicklung von Motoren in Bad Neustadt: mehr Leistung auf engem Raum durch neue Wicklungstechniken und Computersimulationen
So breit die Anwendungen, so verschieden sind auch die Bauarten der Motoren (siehe Kasten). Die meisten sind Normmotoren, die mit konstanter Drehzahl über das Stromnetz betrieben werden. Diese Asynchronmaschinen bilden das Rückgrat der Industrie und bedienen Pumpen, Förderbänder oder den Kompressor im Kühlschrank. Doch auch bei diesen einfachen und kostengünstig herzustellenden Antrieben bleibt Spielraum für Verbesserungen: So hat Siemens Motoren entwickelt, die die Stromkosten deutlich senken (Energieeffizienz).
"Genau genommen wollen die Kunden eigentlich keine Motoren – sie wollen Bewegung, Kraft und Leistung, also bestimmte Drehmomente und Geschwindigkeiten", erklärt Spohr. Die A&D-Entwickler beherrschen die Kunst, Motoren immer leistungsfähiger zu machen und dabei weniger oder kostengünstigeres Material einzusetzen, was die Maschinen verkleinert und einen flexibleren Einsatz ermöglicht. Genau das sind die Trends, die die Experten im Maschinenbau, der Logistik oder bei großen Motoren sehen: Antriebe müssen künftig mit weniger Energie mehr Power auf kleinerem Raum erbringen. Beispiel Roboter: Hier sitzen sechs High-tech-Motoren in einem Roboterarm und steuern exakte Bewegungen, etwa beim Schweißen einer Karosserie.
Ganzheitlicher Ansatz. Der Ansatz von A&D reicht aber weit über die Optimierung der Motoren hinaus, denn es geht um den kompletten Antriebsstrang aus Energieversorgung, Motor, Umrichter, Getriebe und Bremsen – all diese Komponenten sollen nahtlos zusammenpassen. Sensordaten von einem Ort helfen beispielsweise, den Betrieb anderswo zu optimieren. A&D hat Expertenteams zusammengestellt, die in Labors in Bad Neustadt, Erlangen und Nürnberg gezielt das Zusammenspiel im Antriebsstrang überprüfen und verbessern. "Das macht sonst keiner. Für uns ist das ein enormer Wettbewerbsvorteil", sagt Spohr. Siemens-Experten simulieren am Computer auch Motoren, sogar ganze Antriebssysteme (Simulationen in der Anwendung).
"Wir schaffen letztlich einen großen Baukasten, mit dem wir den Kunden maßgeschneiderte Antriebslösungen für all ihre Bedürfnisse bieten können", erklärt Spohr. Der Vorteil zeigt sich vor allem dann, wenn eine Komponente ausfällt. "Nehmen wir eine Maschine mit einem Keilriemen, die in eine Produktionskette eingebunden ist. Wenn der Keilriemen reißt, läuft der ihn antreibende Motor einfach weiter." Andere Geräte in der Umgebung bemerken aber die Störung und ermöglichen dem System eine abgestimmte Reaktion. Je nach Sicherheitsstufe wird nur der Motor automatisch abgeschaltet und ein Techniker alarmiert oder die Anlage teilweise oder ganz stillgelegt. "Verstehen sich die Komponenten nicht blind, schaukelt sich die Störung vielleicht hoch, und dann fällt die Produktion komplett aus", meint Spohr. Bei A&D heißt dieses Baukasten-Konzept Totally Integrated Automation (TIA), also intelligente Vernetzung und Plug and Play übertragen auf die Industriewelt. Im Idealfall konfiguriert sich ein System selbst, weil es erkennt, wie es aufgebaut ist. Diese Durchgängigkeit bei den Komponenten hat einen gewissen Preis, den Kunden aber zu schätzen wissen, wenn sie einmal festgestellt haben, dass bei günstig zusammengekauften Einzelteilen ein Motor nicht mit dem Umrichter harmoniert oder die Regelung des Gesamtsystems einfach nicht gelingen will.
Getreu dem Anspruch, Antriebslösungen aus einer Hand zu bieten, passen die Getriebe von Flender bestens zu A&D. Bis zur Akquisition des Spezialisten für mechanische Antriebstechnik fehlte diese Kompetenz im Portfolio. "Auch wir haben frühzeitig auf Modularität gesetzt", sagt Georg Boeing, Leiter der Getriebeentwicklung in Tübingen. Flender ist bekannt für Hochleistungsgetriebe, die durch eine optimierte Verzahnung besonders laufruhig und leise sind. "Die Zusammenarbeit mit Siemens war immer schon erfolgreich", berichtet Boeing. So ergänzen 15 000 Flender-Getriebe die Antriebe in der Gepäckförderanlage sowie den Rolltreppen und Aufzügen des neuen Flughafens in Dubai (Pictures of the Future, Herbst 2005,
Flughafen-Großprojekte).
Dezentral entscheiden. Für den Gepäcktransport an Flughäfen müssen tausende Motoren exakt abgestimmt angesteuert werden. Hierfür eignen sich dezentrale Antriebe von A&D, die Funktionen direkt vor Ort übernehmen und so kostengünstiger und flexibler sind. Heute laufen Daten und Stromversorgung meist sternförmig in einer Zentrale zusammen. In einer dezentralen, vernetzten Architektur gibt es kleinere, intelligente Einheiten, die aus Förderband, Antrieb, Sensoren und Logikbausteinen bestehen. Das bedeutet weniger störanfällige Kabel und einfachere Wartung und führt letztlich dazu, dass nur die Teile aktiv sind, die gerade gebraucht werden.
Frequenz-Umrichter helfen Strom sparen
A&D setzt bei Innovationen unter anderem auf drehzahlveränderbare Antriebe. Hier verändert ein Umrichter die Frequenz des antreibenden Wechselstroms. Da die Frequenz die Motordrehzahl vorgibt, wird diese variabel – ähnlich wie ein Dimmer, der am Lichtschalter die Helligkeit regelt. "Das bringt Intelligenz in den Motor", sagt Dr. Martin Kaufhold, Entwicklungsleiter für große Antriebssysteme bei A&D. Siemens setzt auch hier auf eine durchgängige Antriebsfamilie namens Sinamics. Dieselbe Software und dieselben Prozessoren steuern Motoren verschiedener Leistung, von einigen Kilowatt bis zu mehreren 10 000 Kilowatt. Noch im Jahr 2006 wird die Sinamics-Familie für alle A&D-Motoren komplett sein.
Sparen mit Umrichtern. "Vielen ist das Prinzip der drehzahlvariablen Antriebe noch nicht klar", sagt Kaufhold. Aber die Vorteile sind offensichtlich: Wegen des geringeren Energieverbrauchs rechnet sich eine solche Investition in maximal zwei Jahren. "Stellen Sie sich einen Pumpenmotor vor. Der läuft die ganze Zeit, und Sie regeln die Wassermenge per Hahn. Wenn ein Umrichter vorhanden ist, regelt der den Zufluss. Der Motor nimmt dann nur so viel Leistung wie nötig auf", erzählt Kaufhold. Je nach Anlage beträgt die Energieeinsparung zwischen 30 und 50 % (siehe Grafik). Kaufhold berichtet von der LW Baden-Württemberg, einem der größten deutschen Fernwasserversorger, der drei Millionen Menschen mit Trinkwasser beliefert. Für die Pumpen einer Förderanlage setzt das Unternehmen nun Sinamics ein. "Damit kann der Kunde stufenlos eine Fördermenge zwischen 50 und 230 l/s einstellen – je nach Bedarf." Berechnungen haben ergeben, dass eine Wasserpumpe so knapp 200 000 € Stromkosten pro Jahr sparen kann.
Frequenzumrichter sind Halbleiterbaugruppen, die meist in Schaltschränken neben dem Motor verbaut sind. "Ganz wichtig ist das Thema Rückspeisefähigkeit", sagt Dr. Hubert Schierling, zuständig für die Vorfeldentwicklung von Standard-Antrieben bei A&D. "Wenn ein Motor stark abgebremst wird, landet heute die überschüssige Energie oft in einem Widerstand im Umrichter, der sich dann erwärmt." Bei Aufzügen sind das etwa 30 % der Energie. "Wir haben bei dezentralen Automatisierungssystemen bereits Umrichter, die diese Energie dem Netz zurückgeben; hier ist Siemens einzigartig positioniert." Irgendwann wird das Standard sein, ist Schierling überzeugt. Nicht weniger wichtig ist die Verträglichkeit der Umrichter-Elektronik mit dem Netz. Schnelle Änderungen bei Schaltvorgängen sollen möglichst keine Spannungsschwankungen und keine Wechselfelder erzeugen – beides könnte die Elektronik anderer Geräte stören. Um das zu verhindern, werden heute zum Teil Filter eingebaut, die so groß wie der Umrichter selbst sind. "Künftig lösen wir das Problem mit Umrichtern aus Siliziumkarbid. Dieser Halbleiter ist temperaturbeständiger, verkraftet höhere Stromdichten als die heutigen aus Silizium und ermöglicht viel höhere Schaltfrequenzen", sagt Schierling. Dadurch könnten Filter wesentlich kompakter werden. SiCED, ein Joint-venture von Siemens und Infineon, entwickelt Dioden und Transistoren aus Siliziumkarbid; Labormuster existieren bereits. In fünf bis zehn Jahren könnte der Umrichter direkt am Motor sitzen, was den Verkabelungsaufwand und die Kühlung vereinfacht. "Das bringt den dezentralen Antrieben einen weiteren Schub", sagt Schierling.
Who is Who in der Welt der Elektromotoren
In üblichen Elektromotoren* wird ein Magnet (Läufer) durch ein rotierendes Magnetfeld in Drehung versetzt. Das Drehfeld erzeugen stromführende Leiter im unbewegten Teil (Stator). Der Läufer kann ein Dauermagnet oder ein durch Strom erzeugter Elektromagnet sein. Ein Generator (Dynamo) ist die Umkehrung des Elektromotors. Hier wird der Läufer mechanisch bewegt, im Stator wird so Strom generiert. Erste brauchbare Elektromotoren baute Hermann Jacobi in den 1830er Jahren; sein 700-W-Schiffsantrieb benötigte aber teure Batterien. Der Durchbruch kam ab 1866 mit der Dynamomaschine von Werner von Siemens, die Strom leicht verfügbar machte. 1879 präsentierte Siemens die weltweit erste elektrische Straßenbahn; 1880 den ersten elektrischen Aufzug.
Bei Asynchronmaschinen ist die Drehzahl des Läufers etwas geringer als die des antreibenden Drehfelds; der Läufer rotiert asynchron zum Drehfeld. Diese Motoren machen etwa 85 % aller Elektromotoren aus – sie sind wartungsarm und besonders kostengünstig herzustellen.
Bei Synchronmaschinen ist die Drehzahl des Läufers gleich der des Drehfeldes; es gibt keinen Schlupf. Dauermagneten machen sie kompakter und leistungsfähiger als Asynchronmaschinen.
Ein Frequenzumrichter ist ein Gerät, das die Höhe und Frequenz einer vorgegebenen Wechselspannung verändern kann. Diese neue Spannung treibt dann einen Motor an. Frequenzumrichter machen Motoren flexibler und sparen Energie.
Das Drehmoment ist die Hebelwirkung des Motors – multipliziert mit der Drehzahl ergibt es die Leistung. Das Drehmoment nimmt mit der aktiven Läuferoberfläche und der Stärke der rotierenden Magnetfelder zu, die sich durch dichtere Bauweise oder optimiertes Material beeinflussen lassen.
Ein Getriebe ist eine Möglichkeit, mittels mechanischer Übersetzungen Drehzahl und Drehmoment eines Antriebs anzupassen. Sinkt die Drehzahl auf ein Zehntel, verzehnfacht sich das Drehmoment. Besonders große Übersetzungen werden beispielsweise beim extrem langsamen, aber kraftvollen Rührer eines Belebungsbeckens im Klärwerk gebraucht.
* Ausnahmen (permanenterregte Motoren, Linearmotoren) siehe Schienenverkehr
Oberwelle steigert Leistung. Ein anderer Trend ist der Direktantrieb, bei dem die Funktion eines Getriebes in den Antrieb integriert ist. Solche Motoren, die auf permanentmagnetischen Synchronmaschinen basieren, sind kompakter und bringen bei gleichem Energieverbrauch mehr Leistung. Eine Sondervariante ist der Oberwellenmotor aus dem Team um Rolf Vollmer: Im Ständer, der ein rotierendes Magnetfeld für die Bewegung des Läufers erzeugt, befinden sich gegenüberliegend zwei Kupferstränge, sozusagen Nord- und Südpol. Normalerweise wird für die Drehbewegung ein Magnetfeld verwendet, das auch nur zwei Pole hat. Der Ständer erzeugt gleichzeitig aber auch Felder mit höherer Polzahl. "Wir verwenden etwa die Polzahl 10", erklärt Vollmer. "Dazu müssen wir den Motorquerschnitt so designen, dass diese spezielle magnetische Welle verstärkt und die anderen geschwächt werden."
Da sich das Magnetfeld auf mehrere Wellen verteilt, tritt im Ständer nur ein Fünftel des magnetischen Flusses auf. Für die Leitung des Magnetfeldes genügt deshalb deutlich weniger Eisen. "Der Motor hat daher bei gleicher Baugröße mehr als das doppelte Drehmoment oder er ist bei gleichem Drehmoment halb so schwer", sagt der Ingenieur, der 43 Patente hält. Da die Oberwellenmotoren etwas höhere Verluste haben, eignen sie sich nicht für alle Anwendungen. Sie sind aber dort im Einsatz, wo es auf besonders große Drehmomente ankommt, etwa beim Einspritzen von Kunststoffen für die Herstellung von Compact Discs.
Kombimotor: Mehr Spielraum für Drucker
Ähnlich innovativ ist der Kombinationsantrieb, den A&D Ende 2005 vorstellte. Erstmals vereinten Entwickler von Siemens und des Druckmaschinenherstellers MAN Roland einen rotierenden und einen linearen Antrieb in einem Gehäuse. Das Wunderwerk soll in Offset-Druckmaschinen laufen. Hier müssen die Walzen neben der Rotation auch eine seitliche Bewegung vollführen, damit die Farbe sauber und gleichmäßig verteilt wird – wichtig für die Druckqualität. Bisher lösten Hersteller das Problem mit einer unflexiblen und auch fehleranfälligen Mechanik. Der Kombinationsantrieb kann nun die tonnenschwere und 1,5 m dicke Walze bei 1 .850 U/min seitlich um 2,5 cm verschieben, was Druckern völlig neue Möglichkeiten beschert. Der Motor ist für beeindruckende 50 000 Betriebsstunden ausgelegt. Zum Vergleich: Ein Auto fährt schon in 5 000 Betriebsstunden mindestens 200 000 km weit. Der Kombinationsantrieb, von dem bisher Prototypen existieren, könnte auch in anderen Maschinen und Industrien eingesetzt werden.
Noch größere Leistungen hat A&D mit einem Antrieb aus supraleitenden Spulen im Sinn: Der weltweit erste schnelldrehende Generator mit Hochtemperatur-Supraleitern soll künftig Schiffe bewegen (Supraleitender Generator). Bei einer Leistung von 4 MW ist er wegen des besonderen Materials deutlich kleiner und im Betrieb wirtschaftlicher als herkömmliche Generatoren. "Sie sehen – auch 170 Jahre nach dem Beginn des Zeitalters der Elektromotoren sind wir lange nicht am Ende der Entwicklung angekommen", sagt Technik-Stratege Spohr.
Norbert Aschenbrenner
Windräder mit Fehlerquote Null
Ein riesiges Windrad weist den Weg in ein Industriegebiet des dänischen Städtchens Brande. Hier arbeiten 800 Menschen für Siemens Power Generation (PG) im Geschäftsgebiet Wind Power – einem der am schnellsten wachsenden Windturbinenhersteller der Welt. Etwa 350 Turbinen mit einer Gesamtleistung von über 630 MW hat PG 2005 verkauft, in diesem Jahr sollen es mehr als 500 sein. Jüngst wurde eine weitere Fabrik zum Bau von Rotorblättern übernommen. Im Februar 2006 erhielt PG einen Auftrag für den größten Offshore-Windpark in Schweden mit 110 MW. Seit 2004, als Siemens das 1980 gegründete Familienunternehmen Bonus Energy übernahm, gibt es dank der weltweiten Siemens-Kontakte einen Run auf Windräder made in Denmark. Neben kompletten Anlagen bietet Siemens auch die zugehörige Automatisierung an. Das Spektrum des Bereichs Automation and Drives umfasst Generatoren mit Getrieben bis hin zu permanenterregten Generatoren ohne Getriebe. So gibt es Komponenten und Systeme für kleine und für sehr große Turbinen, wie sie in Windparks auf hoher See stehen. "Wir haben ein extrem gutes Renomee bei den Kunden", sagt Henrik Stiesdal, Direktor für Technologie. Er erzählt schmunzelnd von den Übernahmegesprächen: Die Siemens-Verhandlungsführer wollten von Bonus die übliche Liste mit Reklamationen sehen. Doch die gab es nicht. Stiesdal trocken: "Fehler bemerken wir vor unseren Kunden."
Der technische Vorsprung zeigt sich im "Integral Blade". Kein anderer Hersteller kann die riesigen Rotorblätter ohne Kleben aus einem Stück und damit bruchfester bauen. Siemens erfasst zudem nicht nur Basisdaten wie Leistung, Verfügbarkeit und Fehlermeldungen, sondern rüstet ausgesuchte Windgeneratoren weltweit mit Messgeräten aus, etwa für die Belastung der Rotoren. Überwacht werden sie aus der Ferne von Dänemark aus. Siemens maximiere vor allem die Stromausbeute übers Jahr – und die hänge von der Verlässlichkeit ab, sagt Peder Enevoldsen, zuständig für die Aerodynamik der Rotoren. Deren Robustheit zeigt sich auf dem Prüfstand. Das 16 t schwere und 52 m lange Blatt einer 3,6-MW-Turbine wird so in Schwingung versetzt, dass sich die Spitze in beide Richtungen bis zu 10 m biegt. Vier Millionen Schwingungen in zwei Monaten simulieren die Belastung von 20 Jahren. Wie weit sich die Leistungsspirale bei Windturbinen noch drehen wird, mag Technik-Chef Stiesdal nicht vorhersagen. Seit einer Fehleinschätzung vor 15 Jahren ist er vorsichtig. Damals hatte er erklärt, bei 0,5 MW Leistung sei Schluss. Heute lässt er durchblicken, dass seine Ingenieure an einer Turbine arbeiten, die deutlich leistungsfähiger wird als das 3,6-MW-Topmodell. Wie groß? Stiesdal grinst: "Lassen Sie sich überraschen."
Bernd Müller