Unterschied zwischen Anlaufmoment und Betriebsmoment

Was ist der Unterschied zwischen Anlaufmoment und Betriebsdrehmoment?

Anlaufmoment und Betriebsdrehmoment sind zwei wichtige Parameter bei der Auswahl von Motoren, Getriebemotoren und Getrieben. Das Betriebsdrehmoment gibt die erforderliche Kraft an, damit die Maschine im Betrieb bleibt, während das Anlaufmoment den anfänglichen Widerstand überwinden und die gesamte Mechanik beschleunigen muss.

Wenn die Auswahl nur auf Basis der Leistung oder des Betriebsdrehmoments erfolgt, läuft der Motor nach Erreichen der Nenndrehzahl möglicherweise stabil, verfügt jedoch nicht über ausreichend Kraft, um die Last anzufahren.

Was ist das Anlaufmoment?

Das Anlaufmoment ist das Drehmoment, das der Motor zum Zeitpunkt des Anlaufens erzeugt, wenn die Wellendrehzahl gleich oder nahezu null ist.

Bei direkt anlaufenden Asynchronmotoren wird dieser Parameter auch wie folgt bezeichnet:

• Anlaufmoment

• Anzugsmoment (Locked-rotor torque)

• Anlaufmoment

• Anzugsmoment

Das Anlaufmoment muss gleichzeitig zwei Aufgaben erfüllen:

1. Überwindung des Lastwiderstands im Stillstand.

2. Beschleunigung des Motors und der Maschinenmechanik auf die erforderliche Drehzahl.

Die Anlauffähigkeit eines Motors hängt nicht nur von der Nennleistung ab, sondern auch von der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, der Spannung, der Anlaufmethode und der Last der Maschine. Die IEC 60034-12 klassifiziert die Anlaufeigenschaften von Drehstrom-Asynchronmotoren separat, einschließlich des Drehmoments und des Stroms bei blockiertem Rotor.

Was ist das Betriebsdrehmoment?

Das Betriebsdrehmoment ist das Drehmoment, das erforderlich ist, damit die Maschine unter normalen Betriebsbedingungen funktionsfähig bleibt.

Es ist wichtig, zwischen zwei Begriffen zu unterscheiden:

• Lastmoment: Das Drehmoment, das die Maschinenmechanik zu einem bestimmten Zeitpunkt erfordert.

• Nenndrehmoment: Das Drehmoment, das der Motor oder das Getriebe unter Nennbedingungen kontinuierlich abgeben kann.

Im stabilen Betrieb ist das Motordrehmoment im Gleichgewicht mit dem Lastmoment und den mechanischen Verlusten. In diesem Zustand ist die Drehzahl nahezu konstant.

Das Nenndrehmoment des Motors kann näherungsweise aus Leistung und Drehzahl berechnet werden:

T = 9.550 × P / n

Dabei gilt:

• T: Drehmoment, Nm

• P: Leistung, kW

• n: Drehzahl, U/min

Beispiel: Ein 1,5 kW Motor, der mit 1.450 U/min läuft, hat ein Nenndrehmoment von etwa:

T = 9.550 × 1,5 / 1.450 ≈ 9,88 Nm

Vergleich zwischen Anlaufmoment und Betriebsdrehmoment

Warum kann das Anlaufmoment größer sein als das Betriebsmoment?

Wenn die Maschine im stationären Betrieb läuft, muss der Motor hauptsächlich das Drehmoment zur Überwindung der Last und der mechanischen Verluste aufbringen.

Beim Anlauf muss der Motor zusätzlich beschleunigen:

• Den Motorrotor

• Zahnräder und Wellen

• Kupplungen

• Kettenräder, Riemenscheiben oder Seiltrommeln

• Förderbänder und Material

• Rührwerke

• Die gesamte rotierende oder bewegte Masse der Maschine

Die grundlegende dynamische Beziehung lautet:

Tmotor − Tlast = J × α

Dabei bedeuten:

• Tmotor: Motormoment

• Tlast: Lastmoment

• J: reduziertes Trägheitsmoment

• α: Winkelbeschleunigung

Die Differenz zwischen Motormoment und Lastmoment wird zur Beschleunigung des Systems genutzt. Wenn das Motormoment nur dem Lastmoment entspricht, verfügt die Maschine über kein überschüssiges Drehmoment zur Beschleunigung. Das Verhältnis zwischen Gesamtmoment, Trägheitsmoment und Winkelbeschleunigung ist das Grundprinzip elektrischer Antriebssysteme.

Ist das Anlaufmoment immer größer als das Betriebsmoment?

Nicht jede Anwendung erfordert ein Anlaufmoment, das wesentlich höher ist als das Betriebsmoment.

Das erforderliche Drehmoment hängt von der Lastcharakteristik ab.

Daher sollte kein festes Anlaufmomentverhältnis auf alle Maschinen angewendet werden.

Wie hängen das Anlaufmoment des Motors und das Getriebe zusammen?

Ein Getriebe reduziert die Drehzahl und erhöht das Drehmoment an der Abtriebswelle.

Das Abtriebsdrehmoment kann wie folgt abgeschätzt werden:

T₂ ≈ T₁ × i × η

Dabei ist:

• T₁: Drehmoment an der Motorwelle

• T₂: Drehmoment an der Getriebeabtriebswelle

• i: Übersetzungsverhältnis

• η: Wirkungsgrad des Getriebes

Das Verhältnis zwischen Übersetzungsverhältnis, Drehzahl und Drehmoment ist die Grundlage für Antriebssysteme mit Getriebe. Die auf die Motorseite bezogene Trägheitslast ändert sich ebenfalls mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses.

Beispiel: Ein Motor erzeugt ein Anlaufmoment von 15 Nm, das Getriebe hat ein Übersetzungsverhältnis von 20 und einen Gesamtwirkungsgrad von 90%:

T₂ ≈ 15 × 20 × 0,9 = 270 Nm

Es darf jedoch nicht allein aus diesem Ergebnis geschlossen werden, dass das Getriebe geeignet ist. Folgende Punkte müssen zusätzlich geprüft werden:

• Zulässiges kontinuierliches Abtriebsdrehmoment

• Zulässiges maximales Drehmoment

• Anlaufmoment oder Spitzendrehmoment

• Anzahl der Anläufe pro Stunde

• Stoßbelastung

• Radial- und Axiallasten

• Lebensdauer von Lagern und Zahnrädern

Ein Getriebe mit ausreichendem Betriebsdrehmoment kann dennoch überlastet werden, wenn das Anlaufmoment oder Stoßmoment die kurzzeitigen Grenzwerte überschreitet.

Einfluss der Anlaufmethode

Direktanlauf

Der Motor erhält die volle Netzspannung und erzeugt ein Anlaufmoment gemäß seiner Auslegung. Der Anlaufstrom ist in der Regel hoch, daher müssen die Stromversorgung, die Schaltgeräte und die Belastbarkeit des Mechanismus überprüft werden.

Stern-Dreieck-Anlauf

Die Spannung an jeder Wicklung ist während der Sternschaltung niedriger als im Dreiecksbetrieb. Das Anlaufmoment reduziert sich daher erheblich.

Diese Methode ist nicht geeignet, wenn die Last bereits aus dem Stillstand ein hohes Drehmoment erfordert.

Sanftanlauf

Ein Sanftanlasser reduziert die Spannung während des Hochlaufs, um den Strom und mechanische Stöße zu begrenzen. Wenn die Spannung sinkt, verringert sich auch das Anlaufmoment des Asynchronmotors.

Daher müssen die Spannungsrampe und die Anfangsspannung entsprechend der Last eingestellt werden.

Frequenzumrichter

Ein Frequenzumrichter steuert Spannung, Frequenz und Motorstrom während des Anlaufs. Die Fähigkeit zur Drehmomentbildung bei niedriger Drehzahl hängt ab von:

• U/f-Kennlinie oder Vektorregelung

• Strombegrenzung

• Motorparametern

• Ergebnissen des Autotunings

• Beschleunigungszeit

• Überlastfähigkeit des Frequenzumrichters

• Kühlzustand des Motors

Das Anlaufmoment bei Verwendung eines Frequenzumrichters sollte nicht allein anhand des Blockierstrommoments (locked-rotor torque) des Motors beim Direktanlauf bewertet werden.

Was passiert, wenn das Anlaufmoment nicht ausreicht?

Häufige Anzeichen sind:

• Motor steht unter Spannung, dreht sich aber nicht

• Motor dreht beim Anlauf sehr langsam

• Hoher Stromanstieg

• Überlastrelais oder Frequenzumrichter melden Überstrom

• Anlauf im Leerlauf möglich, aber nicht unter Last

• Beschleunigungszeit zu lang

• Motor erwärmt sich schnell

• Bremse ist gelöst, aber die Last bewegt sich nicht

• Förderband ruckelt und bleibt stehen

• Kupplungen, Ketten oder Riemen vibrieren stark

Wird ein Motor über einen längeren Zeitraum bei sehr niedriger Drehzahl gehalten, können Strom und Temperatur schnell ansteigen, was die Lebensdauer der Wicklungen verkürzt.

Warum startet ein Motor trotz ausreichender Leistung nicht?

Ein Motor mit korrekter Nennleistung kann aus folgenden Gründen möglicherweise nicht anlaufen:

• Das Anlaufmoment ist niedriger als das Lastmoment

• Die eingestellte Beschleunigungszeit ist zu kurz

• Die Strombegrenzung des Frequenzumrichters ist zu niedrig eingestellt

• Spannungsabfall in der Versorgungsleitung

• Falsche Stern-Dreieck-Schaltung

• Elektromagnetische Bremse hat nicht vollständig gelöst

• Mechanische Blockade der Last

• Lager oder Getriebe sind schwergängig

• Zahnräder, Ketten oder Riemenscheiben sind falsch montiert

• Materialablagerungen in Förderschnecken oder Rührwerken

• Das Trägheitsmoment der Last ist zu groß

• Das Getriebe hat ein ungeeignetes Übersetzungsverhältnis

Daher sollte nicht sofort die Motorleistung erhöht werden, ohne die Ursache genau bestimmt zu haben.

Auswahl von Motor und Getriebe nach Drehmoment

1. Bestimmung des Betriebsdrehmoments

Berechnen Sie das erforderliche Drehmoment, damit die Maschine den Betrieb bei der gewünschten Drehzahl aufrechterhalten kann.

2. Bestimmung des Anlaufmoments

Prüfen Sie, ob die Last im Leerlauf oder unter Volllast anläuft und ob Haftreibung, Hubkräfte, verfestigtes Material oder ein anfänglicher Gegendruck vorliegen.

3. Berechnung des Trägheitsmoments

Bewerten Sie Masse und Abmessungen rotierender Teile wie Trommeln, Schwungräder, Drehtische, Riemenscheiben und Wellen.

4. Bestimmung der Beschleunigungszeit

Je kürzer die Beschleunigungszeit, desto höher ist das erforderliche Beschleunigungsmoment.

5. Überprüfung der Motor- und Steuerungseigenschaften

Es muss sichergestellt werden, dass der Motor und die Steuerung während des gesamten Beschleunigungsvorgangs ausreichend Drehmoment erzeugen können, nicht nur zum Zeitpunkt des Starts.

6. Überprüfung des Getriebes

Das Getriebe muss folgende Anforderungen erfüllen:

• Dauerdrehmoment

• Anlaufmoment

• Spitzendrehmoment

• Anlaufzyklus

• Stoßbelastung

• Externe Wellenbelastung

7. Überprüfung von Bremse und Rücklaufsperre

Bei geneigten Förderbändern, Winden oder Hebezeugen muss zusätzlich die Fähigkeit zur Lastsicherung bei Motorstillstand oder Stromausfall geprüft werden.

Häufige Fehler bei der Auswahl

Auswahl nur nach kW-Leistung

Die Leistung gibt keinen vollständigen Aufschluss über das Anlaufverhalten. Zwei Motoren mit gleicher Leistung können unterschiedliche Anlaufmomentkennlinien aufweisen.

Nur Prüfung des Nenndrehmoments

Das Nenndrehmoment steht für den stabilen Betrieb und ersetzt nicht die Prüfung des Anlauf- und Spitzendrehmoments.

Annahme, dass ein größeres Getriebe immer besser ist

Ein größeres Getriebe kann zwar die Belastbarkeit erhöhen, vergrößert jedoch auch Trägheit, Abmessungen und Kosten. Die Auswahl muss exakt auf die tatsächliche Last abgestimmt sein.

Zu kurze Beschleunigungszeit

Eine kurze Beschleunigungszeit erhöht das erforderliche Beschleunigungsmoment und den Strombedarf.

Vernachlässigung des Lastzustands beim Anlauf

Eine leere Förderschnecke und eine mit Material gefüllte Förderschnecke haben sehr unterschiedliche Anlaufanforderungen.

Verwendung des Spitzendrehmoments für den Dauerbetrieb

Das Spitzendrehmoment darf in der Regel nur kurzzeitig auftreten. Es darf nicht als Ersatz für das Dauerdrehmoment verwendet werden.

Häufig gestellte Fragen

Ist das Anlaufmoment das maximale Drehmoment?

Nein. Das Anlaufmoment ist das Drehmoment zum Zeitpunkt, an dem die Drehzahl null ist. Das maximale Drehmoment kann bei einer anderen Drehzahl auf der Kennlinie des Motors auftreten.

Ist das Betriebsdrehmoment das Nenndrehmoment?

Nicht unbedingt. Das Betriebsdrehmoment ist das tatsächliche Drehmoment, das die Last erfordert. Das Nenndrehmoment ist die kontinuierliche Leistungsfähigkeit des Motors oder Getriebes unter Nennbedingungen.

Reicht es aus, wenn der Motor ein höheres Nenndrehmoment als die Last hat?

Nein. Es müssen zusätzlich das Anlaufmoment, die Beschleunigungszeit, das Lastträgheitsmoment und das maximale Drehmoment überprüft werden.

Hilft eine Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses beim Anlaufen des Motors?

Eine Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses erhöht in der Regel das Drehmoment an der Abtriebswelle und verringert das auf die Motorseite bezogene Lastmoment. Die Abtriebsdrehzahl sinkt jedoch, und die Belastungsgrenzen des Getriebes müssen überprüft werden.

Erhöht ein Frequenzumrichter das Anlaufmoment?

Ein Frequenzumrichter kann die Drehmomentregelung bei niedrigen Drehzahlen verbessern, wenn er korrekt ausgewählt und eingestellt ist. Die tatsächliche Leistungsfähigkeit bleibt jedoch durch den Strom, den Motor, den Regelungsmodus und die Überlastfähigkeit des Frequenzumrichters begrenzt.

Kann ein Getriebe für das Betriebsdrehmoment ausreichen, aber beim Anlaufmoment versagen?

Ja. Das Getriebe kann für die Dauerlast ausgelegt sein, aber nicht ausreichen, um die Drehmomentspitzen beim Anlauf, bei Lastblockaden oder bei Drehrichtungsumkehr zu bewältigen.

MDriveTech Beratung zur Auswahl von Motoren und Getrieben

MDriveTech unterstützt bei der Auswahl von Getriebemotoren und Getrieben der Marken DSK, Nara Samyang und NK für:

• Förderbänder

• Schneckenförderer

• Rührwerke

• Verpackungsmaschinen

• Wickler

• Drehtische

• Hebezeuge

• Industrielle Antriebssysteme

Für eine präzise Auswahl sollten Kunden folgende Angaben bereitstellen:

• Motorleistung und Drehzahl

• Abtriebsdrehzahl

• Drehmoment oder Lastcharakteristik

• Anlauf unter Leer- oder Volllast

• Beschleunigungszeit

• Anzahl der Starts pro Stunde

• Vorhandensein von Stoßbelastungen oder Drehrichtungsumkehr

• Bauform und Wellenabmessungen

• Fotos oder Maschinenzeichnungen

Hotline: 0868 789 647
E-Mail: [email protected]

Fazit

Das Anlaufmoment ist das erforderliche Drehmoment, um den anfänglichen Widerstand zu überwinden und das System zu beschleunigen. Das Betriebsdrehmoment ist das Drehmoment, das benötigt wird, um die Maschine bei der geforderten Drehzahl zu betreiben.

Bei der Auswahl von Motoren und Getrieben müssen das Anlaufmoment, das Betriebsdrehmoment, das maximale Drehmoment, das Lastträgheitsmoment, die Beschleunigungszeit und der Betriebszyklus gleichzeitig überprüft werden. Eine reine Auswahl nach kW-Leistung kann dazu führen, dass das System zwar über genügend Leistung verfügt, aber dennoch nicht anlaufen kann.