50G Schock muss er aushalten – Einblick in die eLION-Entwicklung

Deepdive in die Antriebstechnik

Die Entwicklung von elektrischen Antriebssystemen für mobile Arbeitsmaschinen stellt Konstrukteure vor besondere Herausforderungen. Im Podcast "Industrie neu gedacht" erläutert Dr. Thomas Finken von Bosch Rexroth die Hintergründe.

Neben den herkömmlichen Anforderungen an Leistung und Effizienz spielt auch die Widerstandsfähigkeit gegen extreme Umweltbedingungen wie Vibrationen und Schock eine zentrale Rolle. Ein kritischer Punkt ist die mechanische Auslegung der Antriebe, die in mobilen Arbeitsmaschinen deutlich härteren Bedingungen standhalten müssen als in stationären Anwendungen. Typische Fabrikmotoren müssen selten extremen Belastungen wie dem Eintauchen in Wasser oder starken Erschütterungen standhalten. Bei mobilen Arbeitsmaschinen, wie sie etwa in Steinbrüchen oder auf Baustellen eingesetzt werden, ist dies jedoch die Norm. „Das hat uns zu Beginn vor Herausforderungen gestellt, die wir aber schnell lösen konnten“, erklärt Finken.

Der Einsatz von digitalen Zwillingen, also die Simulation der Maschine noch vor dem physischen Bau, ermöglicht die Erkennung und Behebung von Schwachstellen bereits im Vorfeld. Laut Finken können insbesondere Resonanzen, die durch Vibrationen und Schockbelastungen entstehen, das System stark beanspruchen. „Durch präzise Simulationen können diese Probleme frühzeitig identifiziert und behoben werden“, erklärt der Ingenieur.

Zu den größten Innovationen des eLION-Teams in der Entwicklung zählt die Fähigkeit, Motoren so zu konzipieren, dass sie sowohl bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment bieten als auch bei hohen Geschwindigkeiten effizient bleiben. Diese Flexibilität ist für die verschiedenen Einsatzbereiche mobiler Arbeitsmaschinen von entscheidender Bedeutung. Die elektromagnetische Auslegung solcher Antriebe führt jedoch zu einem fundamentalen Zielkonflikt für die Ingenieure. Um ein hohes Drehmoment zu erzielen, muss entweder der magnetische Fluss im Rotor oder der Strom im Stator erhöht werden. Der magnetische Fluss kann durch den Einsatz von mehr Permanentmagneten im Rotor erhöht werden. Allerdings führt ein stärkerer Magnetfluss bei hohen Drehzahlen auch zu höheren Gegeninduktionsspannungen im System. Dies hat zur Folge, dass die Spannungsschwelle des Gesamtsystems schneller erreicht wird, was wiederum eine Begrenzung der Drehzahl zur Folge hat. Um dieses Problem zu umgehen, setzen die Ingenieure auf die sogenannte Feldschwächung. Hierbei wird ein Strom in den Stator eingespeist, der ein magnetisches Feld erzeugt, das dem Rotorfeld entgegenwirkt. Dadurch kann die Spannung innerhalb der zulässigen Grenzen gehalten werden, während die Drehzahl weiter gesteigert wird.

Um den unterschiedlichen Anforderungen in der mobilen Arbeitswelt gerecht zu werden, verfolgt Bosch Rexroth einen modularen Ansatz bei der Entwicklung ihrer Antriebssysteme. Dies erlaubt es, Antriebe je nach Anwendung anzupassen. So können für besonders belastungsintensive Anwendungen wie Steinbrüche spezielle Heavy-Duty-Gehäuse verwendet werden, während für weniger anspruchsvolle Anwendungen eine leichtere Standardausführung ausreicht.

Im Inneren der Motoren werden ebenfalls modulare Konzepte verfolgt, die eine Anpassung der elektromagnetischen Komponenten je nach benötigter Leistung und Drehmoment erlauben. Dieser Baukastenansatz stellt sicher, dass Kunden für jeden Anwendungsfall eine optimierte Lösung erhalten.

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