antriebstechnikk 3/2016

MEHRMOTORENANTRIEBSSYSTEME
Das am häufigsten geforderte Optimalitätskriterium wird jedoch
die Kombination aus hoher Energieeffizienz und geringen Lebenszykluskosten
sein. Geringe Lebenszykluskosten können bereits
durch die gezielte Freiheitsgradnutzung in der Konzeptionsphase
begünstigt werden. Durch eine entsprechend strukturierte MMDS-
Baureihe mit einem hohen Gleichteilegrad kann sichergestellt
werden, dass ein Antriebssystem kundenseitig minimale Kosten
im Ersatzteilmanagement bei gleichzeitig maximaler Verfügbarkeit
erzielt. Darüber hinaus können durch viele Gleichteile über alle
Varianten der Baureihe hinweg Arbeitsschritte in der Montage und
Inbetriebnahme vereinfacht und standardisiert werden.
Die gezielte Nutzung der Freiheitsgrade während des Betriebs
des MMDS kann darüber hinaus zu geringen Lebenszykluskosten
beitragen. Insbesondere lässt sich durch die drei Freiheitsgrade
Drehmomentverteilung, elektrische und mechanische Rekonfigurierbarkeit
die Energieeffizienz beeinflussen.
Der Wirkungsgrad jeder Komponente eines Antriebssystems und
folglich der Wirkungsgrad des Gesamtsystems ist eine Funktion des
Arbeitspunktes und der Komponentenauslastung. Den größten
Einfluss auf die Energieeffizienz des Gesamtsystems werden die
Wirkungsgrade der Motoren haben, welche sich teilweise signifikant
in Abhängigkeit der Maschinenauslastung ändern können
[Fis06]. Während bei einem SMDS die Motorauslastung direkt mit
dem Arbeitsprozess-Arbeitspunkt verkoppelt ist, ist dieser Zusammenhang
bei einem MMDS weitestgehend aufgebrochen. Durch
eine gezielte asymmetrische Verteilung des Arbeitsprozessdrehmoments
auf die unterschiedlichen Motoren kann für jeden Arbeitspunkt
das unter den gegebenen Randbedingungen erreichbare
globale Optimum des Gesamtsystemwirkungsgrads eingestellt
werden. Darüber hinaus können einzelne Motoren temporär elektrisch
abgeschaltet und Antriebsstränge temporär mechanisch
entkoppelt werden, sofern der leistungsvariable Arbeitsprozess
dies erlaubt. Durch diese Maßnahmen lassen sich weitere Verluste
vermeiden und der Gesamtsystemwirkungsgrad positiv beeinflussen.
Zu prüfen ist in diesem Kontext, ob durch die modularitätsbedingte
Reduktion der Motorbaugröße oder durch die modularitätsbedingte
Überdimensionierung mechanischer Komponenten
Effizienzeinbußen gegenüber einer speziell auf den konkreten
Anwendungsfall ausgelegten Individuallösung auftreten und ob
diese durch Modularitätsvorteile kompensiert oder überkompensiert
werden können.
Die Betrachtung zeigt, dass die Freiheitsgrade eines MMDS
von der Konzeptions- bis zu der Betriebsphase genutzt werden
können, um einen erweiterten Anwendernutzen zu generieren.
Insbesondere während des Betriebs können die Freiheitsgrade
gezielt eingesetzt werden, um ein Maximum der Energieeffizienz
zu erzielen. Im Umkehrschluss zeigt sie jedoch auch, dass wenn
durch eine geeignete Nutzung ein Maximum erreicht werden
kann, kann durch eine falsche Nutzung oder eine Nichtberücksichtigung
der Freiheitsgrade ein Minimum und somit ein un erwünschtes
Betriebsverhalten erzielt werden. Mit welchen Methoden eine gezielte
Nutzung der Freiheitsgrade im Betrieb realisiert und unerwünschte
Betriebszustände vermieden werden können, wird in den zwei
nachfolgenden Beiträgen dieser Reihe anhand einer detaillierten
Betrachtung der einzelnen Freiheitsgrade erläutert. Für diesen ersten
Beitrag soll die allgemeine Formulierung des Grundgedankens der
Freiheitsgradnutzung ausreichen.
Anforderungen an
ein Mehrmotorenantriebssystem
Die vorausgegangenen Überlegungen haben gezeigt, dass ein
MMDS über mehr Freiheitsgrade verfügt als ein herkömmliches
SMDS und dass diese gezielt genutzt werden müssen, um unerwünschte
Betriebszustände zu vermeiden und einen zusätzlichen
03 Gegenüberstellung der internen und der externen Variantenvielfalt
bei Verwendung eines SMDS- und eines MMDS-Konzeptes
04 Visualisierung des Freiheitsgrads der Drehmomentverteilung
05 Unterscheidung der elektrischen und der mechanischen
Rekonfigurierbarkeit
Anwendernutzen zu generieren. Diese Eigenschaft führt allerdings
zu einer gesteigerten Komplexität des Antriebssystems, welche sowohl
Auswirkungen auf die Konzeptionsphase als auch auf die Betriebsphase
hat.
Die Komplexität während der Konzeptionsphase ist maßgeblich
dadurch bestimmt, dass auf konsistente Schnittstellen zwischen
den MMDS-Komponenten geachtet und die Stufung einer Baureihe
oder eines Baukastens geeignet festgelegt werden muss. Die Beherrschung
dieser Komplexität ist Aufgabe des Antriebstechnikherstellers.
Die Lösung der Aufgabe ist abhängig von dem Marktumfeld, den
Zielkunden und -märkten, bestehenden Geschäftsbeziehungen und
bereits erlangten Erfahrungen mit bestimmten Technologien. Ein
allgemeingültiger Lösungsweg, der für alle Antriebstechnikhersteller
anwendbar ist lässt sich daher nur sehr schwer und auf abstrakte
Weise formulieren. Die folgenden Betrachtungen beschränken sich
daher auf die Betriebsphase eines MMDS.
Die Komplexität während der Betriebsphase resultiert aus den unterschiedlichen
Möglichkeiten, die verfügbaren Freiheitsgrade miteinander
zu kombinieren. Kombinationen, die zu unerwünschten
Betriebszuständen führen, sind dabei zu vermeiden. Diese Aufgabe
muss von dem Antriebstechnikhersteller und dem Kunden gemein-
antriebstechnik 3/2016 87