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Bei einer Textil-Wickelmaschine wird die Auswahl des Elektromotors davon bestimmt, wie sich die Last mit wachsendem Wickeldurchmesser ändert. Wird der Stoff mit konstanter Geschwindigkeit und konstantem Zug aufgewickelt, verdoppelt sich bei doppeltem Wickeldurchmesser das Drehmoment an der Wickelwelle, während sich ihre Drehzahl halbiert. Der Antrieb wird daher nicht nach einem einzigen Betriebspunkt ausgewählt, sondern gleichzeitig nach dem Drehmoment beim größten und der Drehzahl beim kleinsten Durchmesser.
Dieser Beitrag behandelt Zentrumswickler, die Stoff oder Vliesstoff auf eine Welle wickeln. Beim Oberflächenwickeln (mit Kontaktwalze) dreht die Antriebswalze mit konstanter Drehzahl, und der Wickeldurchmesser wirkt sich nicht direkt auf den Elektromotor aus; dort stellt sich die Frage anders.
Wie ändern sich Drehmoment und Drehzahl mit wachsendem Wickel?
Beim Zentrumswickeln sollen zwei Größen konstant bleiben: die Bahngeschwindigkeit (Vorschub des Stoffs in Meter pro Minute) und der Bahnzug. Dann gilt:
- Drehmoment = Bahnzug × Wickelradius. Mit wachsendem Wickel steigt das Drehmoment proportional zum Durchmesser.
- Drehzahl = Bahngeschwindigkeit ÷ Wickelumfang. Mit wachsendem Wickel sinkt die Wellendrehzahl umgekehrt proportional zum Durchmesser.
- Leistung = Drehmoment × Drehzahl. Da sich beide Effekte ausgleichen, ist die Wickelleistung unabhängig vom Durchmesser und annähernd konstant.
Der letzte Punkt hat eine wichtige Folge: Auch wenn die Wickelleistung konstant ist, muss der Elektromotor diese Leistung über einen weiten Drehzahlbereich abgeben. Ein Asynchronmotor erreicht die höchste Leistung, bei der er sein Bemessungsdrehmoment tragen kann, jedoch nur bei Nenndrehzahl. Liefert er dasselbe Drehmoment bei niedriger Drehzahl, sinkt die abgegebene Leistung. Die Leistung des Elektromotors wird deshalb nicht aus dem tatsächlichen Leistungsbedarf des Wickelns berechnet, sondern daraus, bei welcher Drehzahl er das Drehmoment des größten Wickels liefern muss.
Wickelverhältnis: die wichtigste Auslegungsgröße
Das Verhältnis des vollen Wickeldurchmessers zum Durchmesser des leeren Kerns (Welle oder Papphülse) heißt Wickelverhältnis. Es bestimmt unmittelbar die Breite des Drehzahlbereichs, in dem der Elektromotor arbeiten muss.
| Hypothetischer Fall | Durchmesser leerer Kern | Durchmesser voller Wickel | Wickelverhältnis | Drehzahlbereich des Elektromotors |
|---|---|---|---|---|
| Dünner Stoff, kleiner Wickel | 100 mm | 300 mm | 1:3 | von Nenndrehzahl bis auf ein Drittel |
| Schwerer Stoff, großer Wickel | 150 mm | 900 mm | 1:6 | von Nenndrehzahl bis auf ein Sechstel |
Die Tabelle ist hypothetisch und dient nur zur Veranschaulichung der Verhältnislogik. Wird die Getriebeübersetzung so gewählt, dass der Elektromotor beim leeren Kern nahe seiner Nenndrehzahl dreht, während die Bahngeschwindigkeit erreicht wird, arbeitet er beim vollen Wickel mit der durch das Wickelverhältnis geteilten Nenndrehzahl und mit höchstem Drehmoment. Bei 1:6 bedeutet das Dauerbetrieb nahe dem vollen Drehmoment bei etwa einem Sechstel der Nenndrehzahl.
Wie werden Elektromotor und Getriebe gemeinsam ausgewählt?
Die Auswahl lässt sich in folgender Reihenfolge aufbauen:
- Aus Bahngeschwindigkeit und Durchmesser des leeren Kerns ermitteln Sie die höchste Drehzahl der Wickelwelle.
- Aus Bahnzug und Radius des vollen Wickels ermitteln Sie das höchste Drehmoment an der Wickelwelle. Der Bahnzug stammt vom Maschinenhersteller oder aus den Prozessdaten; er darf nicht geschätzt werden.
- Die Getriebeübersetzung legen Sie so fest, dass die höchste Wellendrehzahl nahe der Nenndrehzahl des Elektromotors liegt.
- Das Drehmoment des Elektromotors ergibt sich, indem das höchste Wellendrehmoment durch Getriebeübersetzung und Getriebewirkungsgrad geteilt wird; dieser Wert muss unter dem Bemessungsdrehmoment des Elektromotors bleiben.
- Eine Beschleunigungsreserve ist hinzuzurechnen: Ein voller, schwerer Wickel benötigt beim Beschleunigen aus dem Stillstand auf Bahngeschwindigkeit zusätzliches Drehmoment.
Das Bemessungsdrehmoment des Elektromotors lässt sich den Datenblättern entnehmen. Beispielsweise beträgt das Nenndrehmoment des Modells 100L2-4 mit 3 kW und 1450 U/min Nenndrehzahl 19,8 Nm, das des Modells 112M-4 mit 4 kW 26,3 Nm und das des Modells 132S-4 mit 5,5 kW 36 Nm. Die vollständige Drehmomenttabelle finden Sie in unserem Beitrag Drehmomenttabelle für Elektromotoren.
Bei größeren Wickelverhältnissen kann auch ein 6-poliger Elektromotor infrage kommen. Das Modell 132S-6 mit 3 kW liefert beispielsweise bei 968 U/min Nenndrehzahl 29,6 Nm; gegenüber dem 4-poligen Modell gleicher Leistung bietet es ein höheres Drehmoment und eine niedrigere Anfangsdrehzahl, hat aber eine größere Baugröße (132S).
Die Modelle der Standardbaureihe und aktuelle Preise können Sie auf der Seite Elektromotor kaufen vergleichen.
Betrieb mit niedriger Drehzahl am Umrichter und Kühlung
Bei Zentrumswicklern wird die Drehzahländerung fast immer mit einem Frequenzumrichter realisiert. Die Drehstrom-Baureihen von HEM Motor eignen sich für die Drehzahlregelung am Frequenzumrichter; nach der allgemeinen Regel in der Frage zum Frequenzumrichter kann ein Fremdlüfter nötig sein, wenn der Elektromotor lange mit niedriger Drehzahl und vollem Drehmoment arbeitet; bei langer Leitung zwischen Umrichter und Elektromotor wird ein dU/dt- oder Sinusfilter geprüft, und diese Bedingungen sind bei der Bestellung anzugeben.
Die Wickelmaschine ist genau eine der Anwendungen, bei denen diese Bedingung – „lange mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment“ – eintritt. Je voller der Wickel, desto langsamer dreht der Elektromotor, während sein Drehmoment steigt; der auf seiner Welle sitzende Lüfter fördert mit sinkender Drehzahl jedoch weniger Luft. Bei einer Maschine mit hohem Wickelverhältnis und langer Laufzeit mit vollem Wickel sollten Sie den Fremdlüfter bei der Bestellung unbedingt ansprechen. Flusen- und Faserablagerungen in der Textilumgebung verschlechtern die Kühlung zusätzlich; die Reinigung der Lüfterhaube gehört in den Wartungsplan.
