Grundlagen: Das Drehmoment bei Motoren

Matthias Beetz, Baumüller Nürnberg GmbH

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Das Drehmoment ist die Drehwirkung einer Kraft auf einen Körper. Für das Drehmoment in Motoren ist es zunächst allerdings unerheblich, ob tatsächlich eine Bewegung stattfindet. Es kann auch im Stillstand bestehen, wenn mit einer äquivalent gegenwirkenden Kraft oder einem Zusammenwirken von Kräften dagegengehalten wird. Insofern kann es eine Rotation beschleunigen, aber auch bremsen.

Folgender Glossar-Artikel behandelt das Drehmoment in der Detailperspektive und legt dabei einen besonderen Schwerpunkt auf seine Bedeutung für die Funktionsweise von Motoren – im Besonderen Servomotoren. Folgende Inhalte werden im Einzelnen beleuchtet:

Inhaltsverzeichnis

Begriffsherkunft

Wir denken bei Moment zuerst an einen Zeitbezug. Das ist bei Motoren nicht der Fall. Der lateinische Begriff „momentum“ hat zwar auch zeitliche Bedeutungen, hinzu kommt aber eine Vielzahl weiterer Begrifflichkeiten. Dazu gehören unter anderem:

Bewegungskraft, Druck, Stoß
Umlauf und Verlauf
Beweggrund, Bedeutung, Gewicht, Wichtigkeit

Aus dieser Sammlung verschiedener, aber durchaus verwandter Bedeutungen erschließt sich auch, weshalb der Begriff Drehmoment bei Motoren genutzt wird. Die Bewegungskraft bringt etwas in einen „Umlauf“ und ist „Beweggrund“, „Gewicht“ oder „Druck“, der auf einen an der Drehachse ansetzenden, senkrechten Hebel einwirkt.

Verwendet wird auch die neutralere Bezeichnung Moment sowie der im Englischen neben „moment“ gebräuchliche Begriff „torque“.

Genaue Definition

Es handelt sich um eine Größe der Newtonʼschen Mechanik, welche die Drehwirkung einer gerichteten Kraft auf einen Körper beschreibt. Zusammen mit der Drehzahl bestimmt das Drehmoment die übertragene Leistung und lässt sich über einen Vektor darstellen.

Bildhafte Veranschaulichung

Bildhaft lässt sich das folgendermaßen vorstellen: Am Kreismittelpunkt eines Rades wird ein gerader Hebel befestigt. Dreht man nun das Rad anhand dieses Hebels, ist das Moment die Kraft, die im rechten Winkel zum Hebel wirken muss, um das Rad in Bewegung zu setzen.

Schematische Darstellung des Drehmoments mit Hebel und senkrecht ansetzender Kraft.

Zeichen und Einheiten

Das Drehmoment besitzt das Formelzeichen „M“ und wird in der Einheit Newtonmeter (Nm) angegeben. Diese erschließt sich aus der Multiplikation der Hebellänge „r“ in Metern mit der senkrecht wirkenden Kraft „F“ in der Einheit Newton. Ein Moment im Uhrzeigersinn wird negativ dargestellt, gegen den Uhrzeigersinn positiv.

Berechnungen für Motoren

Die einfachste Formel für die Berechnung des Drehmoments ist das Vektorprodukt aus der Länge des Hebels und der senkrecht daran ansetzenden Kraft F, also: M = r x F.

Das Problem in der Praxis ist, dass es sich im Regelfall um eine dynamische Bewegung handelt. Drehzahl und Drehmoment haben dabei ein indirekt proportionales Verhältnis zueinander. Das bedeutet, dass eine höhere Drehzahl mit einem niedrigeren Moment zusammenhängt.

Obendrein müssen Kräfte, die dem Moment entgegenwirken, mit eingerechnet werden. Dazu gehört etwa die Reibung der Bauteile. Auch, dass die Richtung der Kraftwirkung nicht immer senkrecht zur Drehachse verläuft, muss bedacht werden. Es handelt sich um eine Idealvorstellung, die so in der Praxis jedoch nicht ohne Weiteres umgesetzt werden kann.

Praktische Anwendung in Motoren

In der konkreten Anwendung in Motoren kommt das Moment als sogenanntes Antriebsmoment zum Tragen. Das bezeichnet die speziellere Variante des Drehmoments, die auf die Eingangswelle eines Getriebes wirkt und Motoren in Bewegung versetzt.

Ein hohes Drehmoment bietet zum einen mehr Kraft für die nötige Bewegung – es kann beispielsweise viel Druck in einer Presse aufgebaut werden. Auf der anderen Seite sorgt es für eine schnellere Reaktionsfähigkeit – das bedeutet, dass Motoren in Ruhe schnell auf hohe Drehzahlen beschleunigt werden können, wenn ein hohes Drehmoment aufrechterhalten werden kann.

Drehmoment im Elektromotor – Bedeutung für Servomotoren

In Servomotoren spielt das Moment eine besondere Rolle. Das gilt vor allem dann, wenn sehr präzise Bewegungen umgesetzt werden müssen, beispielsweise in der Textilindustrie. Wirkt auch im Stillstand ein hohes Drehmoment, können Motoren sehr schnell beschleunigt und wieder abgebremst werden. Dadurch lassen sich sehr dynamische Bewegungen präzise umsetzen.

Torque-Motoren –
hohes Elektromotor-Drehmoment

Hier handelt es sich um Antriebe, die ein extrem hohes Drehmoment als E-Motor aufbringen können. Das gilt insbesondere für alle Einsatzgebiete, bei denen nur geringe Drehzahlen nötig sind. Im Industriebereich kommen sie beispielsweise in Extrudern, Shreddern oder Servopressen zum Einsatz. Mit allen diesen Bereichen sind geringe Drehzahlen mit sehr hohen Anforderungen an die Kraftwirkung verbunden.

Die Torque-Motoren von Baumüller sind Direktantriebe, die vor allem im Bereich der Wartungsintensität punkten – beispielsweise gegenüber Antriebstechnik mit Getriebe oder Hydraulik-Systemen. Durch den Verzicht auf ein Getriebe sinkt der Bedarf für jegliche Wartung, was nicht nur Geld, sondern auch Zeit spart. Außerdem ist der Aufwand für die initiale Montage geringer. Die Modelle lassen sich in einem Kraftspektrum wählen, das bis hin zu 60.000 Nm reicht.

Praktische Vorteile von Direktantrieben

Direktantriebe bringen zahlreiche weitere Vorteile mit sich, die im Produktionsprozess zu einer Effizienzsteigerung führen können. Dazu gehören unter anderem:

deutliche Senkung der Energiekosten und CO₂-Emissionen
keine zusätzlichen Maßnahmen zur Lärmdämmung notwendig
Reduktion der Maschinengröße bzw. Betriebsfläche

Außerdem wird der Gesamtwirkungsgrad der Maschine verbessert, weil beim Einsatz von Direktantrieben keine Getriebe notwendig sind. Dadurch entsteht einerseits kein Getriebeverlust und andererseits auch keine Druckverluste, die in Hydraulik-Systemen auftreten würden, z.B. in einer Hydraulikpresse.

Zusammenfassung – alles auf einen Blick

Das Drehmoment ist die Drehwirkung einer Kraft auf einen Körper. In der Praxis stellt sie einen wesentlichen Teil der Leistungsfähigkeit von Motoren dar. Während sich die Drehzahl indirekt proportional dazu verhält, lassen sich mit einem hohen Moment hohe Kraftwirkungen umsetzen, die beispielsweise in Extrudern, Shreddern oder Servopressen nötig sind. Auch schnelle Reaktionsfähigkeit und die schnelle Beschleunigung auf hohe Drehzahlen lassen sich erreichen, wenn ein hohes Drehmoment in Motoren erhalten bleibt.

Die Elektromotoren von Baumüller sind auch im High-Torque-Bereich erhältlich, mit Drehmoment bis zu 60.000 Nm. Für detaillierte Informationen zu unseren Produkten steht Ihnen unser Kundenservice jederzeit gerne zur Verfügung.

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Matthias Beetz
Training Engineer Academy I Baumüller Nürnberg GmbH

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