Auswahl des asynchronen Drehstrom-Motors für Umkehr-Antriebe. Von Oberingenieur Karl Meller, Berlin-Siemensstadt. MELLER: Auswahl des asynchronen Drehstrom-Motors für Umkehr-Antriebe. Der Einfluß des Schwungmomentes eines Motorankers auf die Wirtschaftlichkeit von Umkehrantrieben ist bis jetzt meist nur bei größeren Antrieben, z.B. Umkehrstraßen und Fördermaschinen, bei denen durchweg größere Gleichstrom-Motoren mit meist geringer Drehzahl verwendet werden, genügend gewürdigt und eingehend behandelt worden. Bei kleineren Umkehrantrieben wie Hobelmaschinen, Blechbiege- und Richtmaschinen, Aufzügen, Haspeln, Kranen, Rollgängen usw., bei welchen der raschlaufende asynchrome Drehstrommotor in immer steigendem Maße zur Anwendung gelangt, ist der Einfluß des Schwungmomentes des Motorankers wohl nur ungenügend, oft auch nur gefühlsmäßig behandelt worden. Dort jedoch, wo das Bestreben vorhanden ist, Motoren mit möglicht geringem Schwungmoment für die Umkehrantriebe zu wählen, herrscht mitunter keine, klare Erkenntnis des einzuschlagenden Weges. Während die einen Motoren mit hoher Drehzahl für das richtigste halten, weil bei diesen das GD2 am kleinsten ist, halten andere Motoren mit niedriger Drehzahl für zweckmäßiger, weil hierbei die von dem Quadrate der Drehzahl abhängige kinetische Energie geringer wird. Aber auch bei dem Anbau des Motors selbst wird der Einfluß der Schwungmassen nicht genügend berücksichtigt, so daß man in vielen Fällen unsachgemäße Ausführungen vorfindet. Durch unnötige Kupplungen, die zwischen Anker und Ritzel eingebaut werden, ferner durch große Bremsscheiben auf der Motorwelle, werden oft die Schwungmassen zum Nachteil der Wirtschaftlichkeit des Antriebes vergrößert. Maßgebend für die Betrachtung ist das Arbeitsvermögen (kinetische Energie) der Schwungmasse. Dieses ist für den gesamten Umkehrantrieb gegeben durch die Formel: A=\Sigma\,\frac{J\,\omega^2}{2}+\Sigma\,\frac{m\,v^2}{2} . . . . (1) Hierin bedeutet: J = Trägheitsmoment der drehenden Teile, w = Winkelgeschwindigkeit der drehenden Teile, m = hin- und hergehende Massen, v = Geschwindigkeit der hin- und hergehenden Massen. Die Größe des Wertes A ist auf die Wirtschaftlichkeit des Antriebes insofern von Einfluß, als hiervon abhängig ist: 1. Die Größe der Beschleunigungs- und Verzögerungszeit, mithin auch die Gesamtzeit des Arbeitsvorganges, 2. Der Energiebedarf, also in beiden Fällen die Betriebskosten. Läßt man die Verluste in den Getrieben außer acht, ebenso die Leistung, die während der Anlaß- und Verzögerungsperiode für den Arbeitsvorgang selbst erforderlich ist, so kann die Anlaß- und Verzögerungszeit verhältnisgleich den gesamten Massen gesetzt werden, vorausgesetzt, daß das Beschleunigungsmoment auch bei verschiedenen Massen gleich angenommen wird. Je geringer die Massen, desto kürzer wird demnach bei der gleichen Motorleistung die Beschleunigungs- und Verzögerungszeit, desto kürzer also auch die Gesamtzeit für einen Arbeitsgang, desto größer die Leistung der Arbeitsmaschine in der Zeiteinheit. Dieser Vorteil wird um so mehr in Erscheinung treten, je kürzer die Gesamtzeit für einen Arbeitsgang ist. Bei den meisten Umkehrantrieben hat die Größe der Schwungmassen um so mehr Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit, als die bei jeder Beschleunigung in den Massen aufgespeicherte Energie zum größten Teil während der Verzögerung durch mechanisches oder elektrisches Abbremsen vernichtet werden muß. Am günstigsten sind solche Antriebe, bei denen die in den Massen aufgespeicherte Energie nach Möglichkeit dazu ausgenuzt wird, den Arbeitsbedarf während der Verzögerungsperiode zu decken. Hierher würden z.B. diejenigen Fördermaschinen gehören, die während der Verzögerung frei auslaufen oder sogar noch ein positives Moment benötigen. Wird die für die Beschleunigung und Verzögerung erforderliche Arbeit für sich allein, also ohne Berücksichtigung der Leerlaufverluste und des Kraftbedarfs für den Arbeitsvorgang, berechnet, so würden sich im ungünstigsten Fall, also bei elektrischer Abbremsung, folgende Verhältnisse ergeben: bezeichnet V1 die für die Beschleunigung der Massen vom Motor an der Welle aufgewandte Energie, V2 die für die Verzögerung der Massen aufgewandte Energie, dann würde die während eines Arbeitsganges für die Beschleunigung und Verzögerung aufgewendete Energie ohne Berücksichtigung des Motorwirkungsgrades, sein: V = Vl + V2 . . . . . (2) Um die Werte von V1 und V2 zu bestimmen, soll angenommen werden, daß während der Beschleunigung und Verzögerung die Motorleistung geradlinig verläuft (vgl. Abb. 1). Es muß dann sein: \frac{N_1}{2}\,.\,t_1=A=\frac{N_2}{2}\,.\,t_2. Hierin bezeichnet: N1 die zur Beschleunigung, N2 die zur Verzögerung erforderliche Leistung, t1 und t2 die zugehörigen Zeiten. Die Regelungscharakteristik des Asynchron-Motors bedingt zusätzliche Verluste, die beim Anlassen durch die Fläche Q1, beim elektrischen Bremsen mit Gegenstrom durch die Fläche Q2 gegeben sind. Da Q1 = A und Q2 = 2 A ist, so beträgt die gesamte Energie ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Motors V = Q1 + A + Q2 = 4 A . . . . (2 a) Zur Beschleunigung und zur Verzögerung der Massen ist demnach etwa der vierfache Betrag der kinetischen Energie der Massen erforderlich. Textabbildung Bd. 334, S. 234 Abb. 1. Bei Antrieben, bei denen mechanisch abgebremst wird, stellen sich die Gesamtverluste (siehe Abb. 1) zu V = V1 = 2 A . . . (2 b) Bei Antrieben, bei denen eine Rückgewinnung der aufgespeicherten kinetischen Energie möglich ist, sind immerhin noch Verluste V = Q1 = A . . . (2 c) gegeben. Die vorerwähnte Abhängigkeit der Gesamtzeit. und des Energiebedarfs von der Größe der Schwungmassen rechtfertigen die Forderungen, die bewegten Massen der Arbeitsmaschine so niedrig wie möglich zu halten. Da nun bei manchen Antrieben die Massen des Motorankers einen großen Anteil der Gesamtmassen betragen, z.B. bei Hobelmaschinen bis 80 v. H., so muß bei der Auswahl des Motors auf möglichst geringe Schwungmomente des Ankers geachtet werden. Eine Auswahl der Motoren ist, sobald die Leistung festgelegt ist, in erster Linie dadurch möglich, daß durch Aenderung der Uebersetzung die Drehzahl des Motors niedriger oder höher angenommen wird. Es wäre demnach als erste Frage zu beantworten, in welcher Weise das Schwungmoment des Ankers von der Drehzahl des Motors abhängt. Bestimmend für den Wert A ist das Trägheitsmoment des Ankers, welches von seinen Abmessungen abhängt. Es wäre daher festzustellen, wie weit sich die Abmessungen des Ankers in Abhängigkeit von der Drehzahl bei gleichbleibender Leistung ändern. Die hauptsächlichsten Abmessungen sind festgelegt durch die Formel N = d2 • b • n • c . . . . . (3) Darin bedeuten: d = Durchmesser des Ankers, b = Breite des Ankers, n = Drehzahl, c = einen Faktor der als angenähert gleichbleibend angenommen werden kann. Obzwar also im wesentlichen die Ankerkonstruktion durch den Wert für den Durchmesser und für die Breite festliegt, wird hierdurch das Trägheitsmoment nicht eindeutig bestimmt, da der Aufbau des Ankerkörpers der einzelnen Type nicht gleichmäßig ist. Während bei den kleineren Typen meist ein Ankerkörper vorhanden ist, der unmittelbar auf der Welle sitzt und aus dem Blechpaket gebildet wird, erhalten größere Typen meist besondere Nabenkonstruktionen. Ferner wird das Schwungmoment des Ankers noch durch die Stirnverbindungen und die Wicklungsträger beeinflußt. Um die theoretischen Erwägungen zu vereinfachen, soll aber für die Berechnung des Trägheitsmomentes für den Anker ein homogener zylindrischer Körper von dem Durchmesser d und der Breite b, sowie dem spezifischen Gewicht γ zugrunde gelegt werden. Daraus würde sich ergeben das Trägheitsmoment zu J_m=\frac{1}{2}\,\left(\frac{d}{2}\right)^4\,\pi\,.\,b\,.\,\frac{\gamma}{g} . . . . (4) Hieraus errechnet sich das GD2 zu GD2 = Jm • 4 g . . . . . (5) Da demnach Trägheitsmoment und GD2 eine Funktion von der Breite und dem Durchmesser des Ankers sind, wäre die Abhängigkeit dieser Werte von der Drehzahl festzustellen. Wird vorerst für die Breite des Ankers durchweg derselbe Wert angenommen, so könnte gesetzt werden \frac{N}{b\,.\,c}=C_1. Die Abhängigkeit des Anker durchmessers wäre dann festgelegt entsprechend der Formel (3) zu d=\sqrt{\frac{N}{b\,.\,c\,.\,n}}=\sqrt{\frac{C_1}{n}} . . . (6) Maßgebend für die Wirtschaftlichkeit ist, wie bereits erwähnt, der Wert A nach Gleichung (1). Da sich die Untersuchung nur auf die Massen des Ankers beschränken sollen, so würde A=J_m\,\frac{\omega^2}{2} . . . . . . . (1 a) Es wäre daher festzustellen, wie weit sich dieser Wert in Abhängigkeit von der Drehzahl ändert. Setzt man die gefundenen Werte der Gleichungen (4) und (6) ein, so erhält man A=\frac{1}{2}\,.\,\pi\,.\,\left(\frac{d}{2}\right)^4\,.\,b\,.\,\frac{\gamma}{g}\,.\,\frac{1}{2}\,\left(\frac{n\,.\,\pi}{30}\right)^2 . . (1 b) da \pi\,\frac{\gamma}{g} und b sich nicht ändern, so kann man auch schreiben A=C_2\,d^4\,.\,n^2=C_2\,\left(\sqrt{\frac{C_1}{n}}\right)^4\,.\,n^2=C_2\,.\,{C_1}^2 . . (1 c) Das bedeutet, daß bei der Annahme eines homogenen Aufbaues des Ankers und bei gleichbleibender Breite bei allen Drehzahlen der Wert für A derselbe bleiben würde, mithin es auf die Wirtschaftlichkeit ohne Einfluß wäre, für welche Drehzahlen der Motor gewählt wird. Tatsächlich werden sich aber mehr oder weniger Abweichungen von diesem ideellen Wert ergeben, da wie bereits erwähnt, der Aufbau einer Typenreihe nicht einheitlich ist, ebenso auch die Ankerbreite aus konstruktiven Gründen für den ganzen Bereich meist nicht gleich angenommen wird. Diese Abweichungen werden noch vergrößert dadurch, daß es nicht möglich ist, für eine gewünschte Leistung bei allen Drehzahlen ein unbedingt passendes Motormodell zu erhalten. Textabbildung Bd. 334, S. 235 Abb. 2.GD2 und Arbeitsvermögen eines Motorankers in Abhängigkeit von der Drehzahl (Antriebsleistung 7,5 kW). Beispielsweise kann es vorkommen, daß bei einer errechneten Leistung von 150 kW die vorhandenen Typen so liegen, daß der Motor bei 975 Umdrehungen 140 kW, bei 735 Umdrehungen aber vielleicht 160 kW hergibt. Abb. 2 bis 4 zeigen die GD2 und die Werte für das Arbeitsvermögen in Abhängigkeit von der Drehzahl für die in Betracht kommenden Motoren eine, der Praxis entnommene Typenreihe bei einer verlangten Antriebsleistung von 7,5–55 und 150 kW. Abb. 2 läßt erkennen, daß innerhalb des praktisch vorkommenden Drehzahlbereiches von etwa 500 bis 3000 Umdrehungen der Wert für A sich nicht erheblich ändert, was auf den gleichmäßigen Aufbau der Typen für kleinere Leistungen zurückzuführen ist. Bei Abb. 3, die einen 55 kW-Motor betrifft, ist aus denselben Gründen zwischen den Drehzahlen 360–1500 keine allzugroße Abweichung festzustellen. Motoren für kleinere Drehzahlen als 360 liegen jedoch bedeutend ungünstiger und bedingen prozentual bedeutend höhere Werte von A. Auch bei dem 150 kW-Motor sind zwischen den Drehzahlen von 1000, 750 und den kleineren Drehzahlen erhebliche Abweichungen festzustellen. Es ist ohne weiteres klar, daß die Abweichungen in den GD2 sich in erheblichem Umfange besonders bei den Antrieben bemerkbar machen werden, bei denen die Zeit einer Arbeitsperiode außerordentlich kurz ist und bei denen der Anteil der Schwungmassen des Ankers im Verhältnis zu den Gesamtmassen ein höherer ist. Je weniger diese Verhältnisse zutreffen, desto weniger wird sich der Einfluß in der Aenderung der Schwungarbeit des Motorankers bemerkbar machen. Bei der Auswahl des Motors muß dabei aber auch berücksichtigt werden, in wie weit durch die Aenderung der Drehzahl noch der Wirkungsgrad des Motors und der des Getriebes verändert wird. Schneller laufende Motoren haben im allgemeinen einen besseren Wirkungsgrad als langsam laufende von gleicher Leistung. Bei einer höheren Drehzahl des Motors wird aber unter Umständen noch ein weiteres Vorgelege erforderlich, dessen Verluste naturgemäß auch besücksichtigt werden müssen. Bei besonders ungünstigen, also kurzhübigen Umkehrantrieben wird es allerdings weniger auf den Stromverbrauch ankommen, sondern mehr auf eine möglichst rasche Umkehrung, um die Leistung der Arbeitsmaschine möglichst zu steigern. Als Beispiel sei angenommen, daß ein 150 kW-Motor zum Antrieb einer kleineren Fördermaschine dienen soll. Zwischen den in Frage kommenden Drehzahlmöglichkeiten, nämlich zwischen 120 und 1000, schwankt, wie Abbildung zeigt, das Arbeitsvermögen der Schwungmassen um etwa 160 v. H. Es soll nun angenommen werden, daß bei der Projektierung, da die Kurve der Abb. 3 nicht bekannt war, eine Drehzahl von 367 der Ausführung zugrunde gelegt wurde. Bei der Wahl der Drehzahl wäre eine solche von 490 gegebenenfalls von 970 am zweckmäßigsten. Der Mehrbetrag an Schwungarbeit würde laut Abbildung etwa 5400 kgm betragen. Nimmt man den ungünstigsten Fall der elektrischen Abbremsung an, ferner die Dauer eines Hubes einschließlich Pause mit 20 Sekunden, zwei achtstündige Schichten bei 300 Arbeitstagen und 10 Pf. für die Kilowattstunde, so würde sich bei Wahl des Motors von 367 Umdrehungen ein jährlicher Mehrbetrag an Energiekosten in Höhe von \frac{4\,.\,5400}{75}\,.\,\frac{60}{2}\,.\,\frac{60\,.\,8\,.\,300}{3600}\,.\,0,736\,.\,0,1=2550\mbox{ M} ergeben. Hierzu käme noch der Mehrbetrag für den langsam laufenden und daher teueren Motor. Textabbildung Bd. 334, S. 235 Abb. 3.GD2 und Arbeitsvermögen eines Motorankers in Abhängigkeit von der Drehzahl (Antriebsleistung 55 kW). Nun kann es aber bei manchen Antrieben wünschenswert sein, die Schwüngmassen des Antriebsmotors noch weiter herunterzudrücken, um aus der Arbeitsmaschine eine möglichst hohe Leistung herauszuholen, als dies bei der Verwendung von normalen Motoren selbst im günstigsten Falle noch erreichbar ist. Ermöglichen läßt sich dies einmal dadurch, daß für den Antrieb nicht ein Motor gewählt wird, sondern daß mehrere Motoren von entsprechend kleinerer Leistung verwendet werden. Praktisch dürfte allerdings nur die Verwendung von zwei Motoren von je der halben Leistung in Frage kommen. Um festzustellen, wie weit dadurch das Arbeitsvermögen der Motoranker beeinflußt wird, kann von der Gleichung (1 b) ausgegangen werden. Setzt man in diese Gleichung den Wert d=\sqrt{\frac{N}{b\,.\,n\,.\,c}} (nach Gleichung (3)) ein und setzt b • n • c = C3, dann wird A=\frac{1}{2}\,.\,\pi\,.\,\sqrt{\left(\frac{N}{C_3}\right)^4}\,.\,\left(\frac{1}{2}\right)^4\,.\,b\,.\,\frac{\gamma}{g}\,.\,\frac{\omega^2}{2} A = C5N2 . . . . . . .(6 b) Textabbildung Bd. 334, S. 236 Abb. 4.GD2 und Arbeitsvermögen eines Motorankers in Abhängigkeit von der Drehzahl (Antriebsleistung 150 kW). Das bedeutet, daß das Arbeitsvermögen quadratisch mit der Motorleistung ansteigt. Wird demnach die gegebene Antriebsleistung auf zwei Aggregate unterteilt, so ergibt sich das Arbeitsvermögen dieser beiden Motoren zu A_1=2\,.\,A\,.\,\frac{50^2}{100^2}=0,5\,A. Zwei Motoren von halber Leistung würden demnach nur halbsoviel Arbeitsvermögen haben, wie ein Motor von der Gesamtleistung. Da sich aber, wie aus Abb. 2 bis 4 ersichtlich, das GD2 für die gleiche Antriebsleistung innerhalb einer Typenreihe erheblich ändert, so wird in der Praxis auch der Faktor entsprechend von diesem theoretischen Wert abweichen, hat z.B. die Type, die für die volle Leistung in Frage kommt, einen geringen Wert für das GD2 und liegen die Typen der halben Leistung in dieser Beziehung gerade ungünstig, so kann der Faktor sogar den Wert 1 annehmen, d.h. es wird auch bei der Unterteilung keine Verringerung der Massen erzielt. Daher ist es auch hier erforderlich, die Typen unter Berücksichtigung des GD2-Verlaufes der ganzen Typenreihe auszuwählen. Die Formel zeigt aber auch, wie nachteilig es werden kann, in der Leistung unnötig zu reichliche Motoren zu wählen, was besonders oft bei den Antrieben für Werkzeugmaschinen zu beobachten ist. Eine Erniedrigung der verlangten Leistung um beispielsweise 10 v. H. würde theoretisch die Schwungarbeit um 19 v. H. ermäßigen. Es empfiehlt sich daher, bei der Festlegung der Leistung nach Möglichkeit nicht unnötige Zuschläge oder Abrundungen nach oben zu machen. Außer der Unterteilung der Leistung kann die Schwungarbeit noch verkleinert werden durch die Ausführung von Motoren mit möglichst geringem Durchmesser und entsprechender Breite. Nach den Gleichungen (3) und (1 b) würde das Arbeitsvermögen quadratisch mit dem Durchmesser abnehmen. In der Praxis findet man auch tatsächlich Motoren, die mit gleichem Durchmesser und großer Breite ausgeführt sind. Nach Gleichung (3) nimmt aber die Breite quadratisch mit der Verringerung des Durchmessers zu, so daß bei gleicher Leistung mit abnehmendem Durchmesser die Breiten schnell wachsen, wodurch sich ungünstige Motorausführungen ergeben. Die Gleichung (6 b) gibt aber auch über die Frage Auskunft, ob die vielfach herrschende Annahme richtig ist, daß durch die Wahl eines größeren Motors die Umsteuerzeiten verkürzt werden können. Bezeichnet Aw das Arbeitsvermögen der Schwungmassen der Arbeitsmaschine ohne Motoranker, Am das des Ankers allein, A_l=\int_o^{\mbox{t}}\,{N^2}_d\,.\,t\,d die Anlaßleistung des Motors ohne Berücksichtigung der Verluste, x die prozentuale Leistungssteigerung des Motors durch Wahl einer größeren Type, und setzt man Aw = C • Am und A1 = (C + 1) Am, so ergibt sich die Gleichung A_w+A_m\,\left(\frac{100+x}{100}\right)^2=A_l\,.\,\frac{100+x}{100}, daraus x = 100 C – 100 . . . . . (7) Das heißt, ist C = 0, kommen also nur die Motormassen in Betracht, dann wird x negativ und es wird durch eine Leistungssteigerung keine Zeitverkürzung erzielt. Wird C = 1, dann ist x = 0. Eine Leistungssteigerung bedingt also gleichfalls keine Verringerung der Anlaßzeit. Wird C größer als 1, dann bedingt die Leistungssteigerung eine Zeitersparnis, aber nur bis zu einer gewissen Grenze, die durch den errechneten Wert von x festgelegt wird. Bei C = 1,2 würde x = 20. Das heißt, daß bei 20 v. H. Leistungssteigerung theoretisch die gleiche Anlaßzeit in Frage kommt, als ohne Leistungssteigerung. Eine weitere Steigerung bedingt eine Verschlechterung der Verhältnisse. Allgemein kann also gesagt werden, daß es bei kurzhübigen Umkehrantrieben, bei denen das Verhältnis der Schwungmassen der Arbeitsmaschine ohne Motor zu denen des Motors kleiner als 1 ist, durch die Vergrößerung der Antriebsleistung eine Verkürzung der Arbeitszeit bei sonst gleichbleibender Arbeitsgeschwindigkeit nicht erreicht wird. Da über die Bestimmung der Motorleistung bei Umkehrantrieben oft Unklarheiten bestehen, soll hierüber auch noch etwas gesagt werden. Die Festlegung der Motorgröße bietet gewisse Schwierigkeiten, weil nicht nur die verlangte Antriebsleistung während eines Arbeitsganges schwankt, (z.B. sind die Leistungen verschieden beim Beschleunigen, beim Verzögern und während der Zeit des eigentlichen Arbeitsvorganges z.B. Hobelmaschinen), sondern auch, weil die Beanspruchung des Motors durch die oft zwischen den Arbeitsperioden liegenden Arbeitspausen, z.B. bei Fördermaschinen. Haspeln, Aufzügen, Blechbiegemaschinen usw. beeinflußt wird. Da aber eine unrichtige Bemessung des Motors auf jeden Fall nachteilig ist, insofern, als bei zu kleinem Motor gegebenenfalls Schwierigkeiten im Betriebe auftreten, andererseits ein zu reichlicher Motor unwirtschaftlich arbeitet, so muß das Bestreben dahingehen, die in Frage kommende Leistung des Motors möglichst genau zu berechnen. Allgemein ist die in jedem Augenblick vom Motor abzugebende Leistung N (in PS) bestimmt nach der Gleichung N=\frac{P\,v}{75\,.\,\eta}+\left(\frac{G\,D^2}{4\,g}\,.\,\frac{d\,\omega}{d\,t}\,.\,\frac{\omega}{75}\right)+\left(\frac{Q}{g}\,.\,\frac{d\,v}{d\,t}\,.\,\frac{v}{75}\right). Hierin bedeutet: P = der zu überwindende Bewegungswiderstand bei Aufzügen, z.B. das Gewicht der Last in kg, v = die Arbeitsgeschwindigkeit (Schnittgeschwindigkeit, Hub- oder Fahrgeschwindigkeit) in m/sek, Q = die gesamten Gewichte, die zu beschleunigen und zu verzögern sind, auf den Lastweg bezogen in kg, g = die Erdbeschleunigung in m/sek2, η = der Wirkungsgrad des Getriebes, ω = die Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Massen, GD2 = das Schwungmoment der rotierenden Massen. Wiederholt sich ein Arbeitsvorgang des Umkehrantriebes periodisch, wie z.B. bei Fördermaschinen, Haspeln, bei Aufzügen und Werkzeugmaschinen, so ist man in der Lage, an Hand der Formel über die Zeit t ein Leistungsdiagramm zu errechnen. Das Leistungsdiagramm muß dabei für die ungünstigsten Verhältnisse, also für die größten in Frage kommenden Leistungen bei den kleinsten Pausen aufgestellt werden. Aendert sich das Widerstandsmoment P während des Arbeitsvorganges nicht, und wählt man für die Beschleunigung und Verzögerung die Aenderung \frac{d\,\omega}{d\,t} konstant, dann wird man ein Leistungsdiagramm errechnen, welches entsprechend Abb. 5 verläuft. Hierin bedeutet: t1 = die Beschleunigungszeit, t2 = die Arbeitszeit mit gleichbleibender Geschwindigkeit und t3 = die Verzögerungszeit, t4 = die Arbeitspausen. Der Motor, der für ein solches Diagramm ausreichen soll, muß so bemessen sein, daß er die Leistungen nach diesen Arbeitsspielen hergeben kann, ohne sich über die zulässigen Grenzen zu erwärmen. Die im Motor freiwerdende Wärme wird bei gleichbleibender Spannung durch den Wert ΣN2t bedingt, in welchem N wieder die Momentanleistung des Motors bedeutet. Es muß daher ein Motormodell gewählt werden, welches einer gleichbleibenden ideellen Leistung entspricht, die sich errechnet aus dem Werte N\,i=\sqrt{\frac{\Sigma\,N\,t}{T}}. Dies ist der sogenannte quadratische Mittelwert der sich ändernden Leistung des Motors, der für seine Bemessung zugrunde gelegt werden muß. Beim Arbeitsspiel nach Abb. 4 würde sich die Effektivleistung errechnen zu N\,i=\sqrt{\frac{{N_1}^2\,t_1+N^2\,t_2+N^3\,t_3}{T}}. Es ist darauf zu achten, daß beim Anlaufen und beim Bremsen jeweils das volle Rechteck einzusetzen ist, weil der Strom entsprechend dem Drehmoment beim Anlassen und Bremsen während einer ganzen Periode die gleiche Höhe hat. Die Bremsleistung ist, wenn sie elektrisch erfolgt, immer positiv einzusetzen, bei mechanischer Abbremsung kommt sie in Fortfall. Bei Antrieben, bei denen das Lastmoment P sich während der Arbeitsperiode ändert, ändert sich die Form des Diagramms. Der wesentliche Rechnungsgang ist aber in beiden Fällen derselbe, nur wird z.B. bei Haspeln ohne Seilausgleich die Leistung N2 mit der Zeit t kleiner werden. Nach der Bestimmung der Effektivleistung ist noch zu prüfen, ob der Motor das verlangte Anzugsmoment hergeben kann. Um allzugroße Spannungsschwankungen zu vermeiden, wird man nicht gern über das zweifache Anlaufsmoment der entsprechenden Effektivleistung hinausgehen. Als Höchstbeanspruchung des Motors dürfte ungefähr der 2,4 bis 2,8 fache Wert in Frage kommen. Gibt die Type, für welche die Effektivleistung errechnet worden ist, das Anzugsmoment nicht her, so kann entweder ein größeres Motormodell mit einer größeren Leistung gewählt werden, wodurch sich die Wirtschaftlichkeit des Antriebes verschlechtert, oder die Beschleunigung kann verringert werden, wodurch sich die Zeit für den Arbeitsgang vergrößert, also die Leistungsfähigkeit der Anlage verringert. Der zweckmäßigste Weg ist der, zu versuchen, die zu beschleunigenden Massen zu verringern. Textabbildung Bd. 334, S. 237 Abb. 5. Bei manchen Antrieben, z.B. bei Kranen, bei welchen kein gleichmäßigeres Arbeitsspiel vorhanden ist, läßt sich die Leistung des Motors nach dem Arbeitsdiagramm nicht bestimmen, da sich ein solches selten aufstellen läßt. Man hilft sich dann bei der Bestimmung der Leistung dadurch, daß man lediglich den Ausdruck \frac{P\,v}{75\,.\,\eta} der Motorgröße zugrunde legt und dazu den Begriff der Intermittenz einführt, insofern, als man den Motor für eine intermittierende Leistung von 30, 45, 60 oder 90 Minuten wählt. Der Begriff der Intermittenz ist durch die Verbandsnormalien festgelegt, indem hierfür der Begriff der Stundenleistung eingeführt worden ist, d.h. der Motor muß die angegebene Leistung ohne unzulässige Erwärmung eine Stunde lang ohne Unterbrechung hergeben können. Für die Auswahl der Motoren hat diese Festsetzung der Stundenleistung wegen des verschiedenen Grades der Intermittenz nicht ausgereicht. Es werden daher für die Bewertung noch die Begriffe der 30, 45 und 90-Minutenleistung hinzugenommen. Es soll aber darauf hingewiesen werden, daß die angegebenen Zeiten nicht etwa der in der Praxis nun vorkommenden wirklichen Einschaltdauer des Motors entsprechen, sondern nur der Zeit, während welcher diese Motoren bei der Untersuchung im Prüffeld mit gleichmäßiger Belastung eingeschaltet werden können, ohne sich übermäßig zu erwärmen. Es ist ja wohl ohne weiteres verständlich, daß die Motorabmessungen desto kleiner werden, je größer die Intermittenz ist, also je kleiner die Minutenleistung. Textabbildung Bd. 334, S. 238 Abb. 6. Für welche Intermittenz nun ein Motor gewählt werden soll, hängt von der häufigen Inanspruchnahme der Maschine ab und ist größtenteils Erfahrungssache. Als Anhaltspunkt können etwa folgende Angaben dienen: 30 Minuten-Leistung wird man bei solchen Umkehrantrieben wählen, bei denen die Ruhepausen immer ein Mehrfaches der Arbeitszeit betragen. Hierzu würden also beispielsweise gehören: Krane in Kraftwerken, Schleusentore, Fahr werke für Verladebrücken, Anstellmotore für Blechbiege- und Richtmaschinen. 45 Minuten-Leistung bei Antrieben, bei denen zwar die Ruhepausen immer noch größer sind als die Arbeitspausen, bei denen aber doch eine dauernde Inanspruchnahme stattfindet. Hieher würden fast alle Werkstattkrane gehöhren, ferner wenig beanspruchte Werkstattmaschinen. 60 Minuten-Leistung bei Antrieben, deren Ruhepause kürzer ist als die Arbeitszeit. Hierher würden beispielsweise alle Hüttenkrane gehören, ferner die meisten Werkstattmaschinen. 90 Minuten-Leistung entspricht schon einer sehr starken Beanspruchung. Da die modernen Motoren an und für sich schon sehr stark ausgenutzt werden, so liegt die 90 Minuten-Leistung meist nicht viel mehr als 10 v. H. unter der Dauerleistung. Motoren mit 90 Minuten-Leistung können daher für alle fast dauernd mit der höchsten Last arbeitende Antriebe zugrunde gelegt werden. Aber nicht nur auf die Durchbildung des Motors und seine richtige Auswahl, sondern auch bei seinem Anbau muß bei Umkehrantrieben darauf geachtet werden, daß nicht die Schwungmassen unnötig vergrößert werden. Zu dieser unnötigen Vergrößerung der Schwungmassen kann unter Umständen der Einbau einer Kupplung führen. Statt das Ritzel unmittelbar auf den Wellenstumpf aufzusetzen, wird oft, da der Motor bei verschiedenen Umkehrantrieben mehr oder weniger unorganisch an die Maschine angebaut wird, das Ritzel besonders gelagert und durch eine elastische Kupplung mit dem Motor verbunden. Aus dem bisherigen geht ohne weiteres hervor, daß auf jeden Fall bei dieser Anordnung die Massen vergrößert werden. Auch bei der Anordnung von Bremsscheiben ist zu beachten, daß durch diese die Schwungarbeit vergrößert wird. Daher sind Bremsscheiben, wo nicht unbedingt erforderlich, zu vermeiden, oder ihr Arbeitsvermögen ist so gering wie möglich zu halten. Nachteilig für Antriebe ist es auch, dort geschlossene Motoren zu verlangen, wo man mit ventiliert gekapselten ohne weiteres auskommen würde. Geschlossene Motoren haben bedeutend größere Abmessungen und sind daher die GD2 bei gleicher Leistung und Drehzahl bedeutend größer als bei offenen Motoren. Beispielsweise beträgt das GD2 eines geschlossenen Motors bei einer Leistung von 22 kW und 750 Umdrehungen etwa 340 kgm2, wogegen ein offener Motor bei 25 kW Leistung und derselben Drehzahl nur ein solches von 5,6 kgm2 besitzt. Bei Anlagen, bei denen jedoch aus betriebstechnischen Rücksichten ein offener oder ventiliert gekapselter Motor nicht verwendet werden kann, besteht die Möglichkeit, die sonst erforderlichen vollständig geschlossenen Motoren durch Motoren mit sogenannter Mantelkühlung zu ersetzen. Diese Motoren erhalten eine Entlüftung, die es ermöglicht, die Type bis zu 100 v. H. der Leistung, wie sie der ventiliert gekapselten Ausführung entspricht, auszunutzen. Die Entlüftung muß bei den Motoren, sollen sie den vollständig geschlossenen Motor ersetzen, so angeordnet sein, daß der Innenraum des Motors unbedingt gegen die Außenluft abgesperrt ist. Bei dem in Abb. 6 beispielsweise wiedergegebenen Motor (Ausführung S. S. W.) wird dies in der Weise erreicht, daß die Kühlluft an der einen Stirnseite durch den Ventilator angesaugt, um das Blechpaket des Stators herumgeblasen und oben am Gehäuse ausgestoßen wird, ohne mit dem Innenraum in Verbindung zu kommen. Abb. 7 läßt die Eintritts- und Austrittsöffnung deutlich erkennen. Das Schwungmoment des Ankers dieser Motortypen ist praktisch gleich denen der ventiliert gekapselten Motoren, also viel geringer als bei den vollständig geschlossenen Motoren. Daher sind die Motoren mit Mantelkühlung bei Umkehrantrieben unbedingt den vollständig geschlossenen Motoren vorzuziehen. Textabbildung Bd. 334, S. 238 Abb. 7. Die im Handel befindlichen normalen Motoren lassen sich nicht ohne weiteres für starke Reversion verwenden, da die Befestigung der Blechpakete, besonders bei kleineren Typen auf dem Anker nicht für die starken Beanspruchungen wie beim Umkehrantrieb auftreten, ausgeführt sind. Es muß daher bei Bestellungen auf Motoren für Umkehrantriebe unbedingt darauf geachtet werden, daß eine ausreichend kräftige Befestigung des Blechpaketes auf dem Anker unter Umständen auch des Statorpaketes im Gehäuse, vorhanden ist. Kurz zusammengefaßt wären bei der Projektierung des elektrischen Antriebes von Umkehranlagen in erster Linie folgende Gesichtspunkte zu beachten: 1. Die Motorleistung ist möglichst genau zu berechnen. Unnötig zu große Motoren werden nicht genügend ausgenutzt und haben, je geringer ihre Ausnutzung ist, einen um so schlechteren Wirkungsgrad und eine um so größere Phasenverschiebung. Ferner wird das Arbeitsvermögen der Schwungmassen, also die zur Umsteuerung erforderliche Energie, vergrößert und die Leistung der Arbeitsmaschine verkleinert. 2. Geschlossene Motoren sollen nur dort verwendet werden, wo sie durch die vorliegenden Verhältnisse als unbedingt erforderlich anzusehen sind. 3. Die Drehzahl ist möglichst so zu wählen, daß sich hierbei eine geringe Schwungarbeit der Massen ergibt. 4. Kupplungen zwischen Ritzel und Motorwelle sind nach Möglichkeit zu vermeiden und durch einen technisch einwandfreien organischen Zusammenbau des Motors mit der Arbeitsmaschine zu ersetzen. 5. Sind Bremsscheiben erforderlich, so ist auch hierbei auf eine möglichste Verringerung des Schwungmomentes zu achten. 6. Bei besonders ungünstigen Umkehrantrieben, also bei solchen mit sehr kurzem Hub und bei denen die Motormassen einen großen Prozentsatz der Gesamtmasse ausmachen, ist zu prüfen, ob die Anwendung eines besonders hierfür durchgebildeten Motors oder eine Unterteilung der Antriebsleistung auf zwei Motoren zweckmäßig ist. 7. Die mechanische Ausführung der verwendeten Motoren ist daraufhin zu prüfen, ob sie für die bei den dauernden Umkehrungen auftretenden Beanspruchungen ausreicht.