Luft scheinbar: Vorteile von Luftmotoren für die Bewegung

By Lisa Eitel | March 6, 2018

Der Elektromotor mag in modernen Industrieumgebungen die häufigste mechanische Energiequelle sein, aber das macht ihn nicht zur besten Lösung für jede Anwendung. Luftmotoren sind einfach und überhitzen nicht, wenn sie unter Last angehalten werden. Außerdem können sie so spezifiziert werden, dass sie Bewegungsanforderungen erfüllen, ohne dass komplexe Steuerungen erforderlich sind.

Von David Lockett | Geschäftsführer bei Huco Dynatork

Inmitten des Hypes um die Vierte Industrielle Revolution und Industrie 4.0 ist es leicht, die Auswirkungen von Technologien außer Acht zu lassen, die frühere industrielle Transformationen vorangetrieben haben. Fabriken der ursprünglichen Industriellen Revolution wurden zunächst mit Wasser und dann mit Dampf angetrieben. Dann wurden sie durch die Zweite Revolution und die Massenproduktion vorangetrieben – ermöglicht durch Elektrizität (und insbesondere den Elektromotor), um Industrieingenieure von der Abhängigkeit von umständlichen Schachtinstallationen (und ihren Fabrikdecken voller Riemen) mit kontrollierbarer mechanischer Energie zu befreien, die überall hin geliefert wird wurde benötigt. Na ja, fast überall.

Obwohl Elektromotoren in den meisten Industriezweigen nach wie vor die Hauptantriebskraft sind, gibt es zahlreiche Anwendungen, bei denen der Einsatz von Elektromotoren schwierig, teuer oder sogar gefährlich ist.

Eine einfachere und sicherere Alternative ist in vielen dieser Anwendungen der Einsatz von Motoren, die mit Druckluft betrieben werden. Luft entzündet keine brennbare Atmosphäre und verunreinigt die meisten Produkte nicht. Es lässt sich leicht über kostengünstige Rohrleitungen verteilen und ist in den meisten Produktionsumgebungen bereits im Einsatz und leicht verfügbar. Darüber hinaus sind Luftmotoren oft kleiner als vergleichbare Elektromotoren, was bei kompakten Maschinen von Vorteil ist.

Die Dynatork-Luftmotoren von Huco sind leise und laufen mit Drehzahlen von 0 bis 800 U/min oder mehr, während sie ohne Zahnradsätze ein Drehmoment von bis zu 15 Nm liefern. Der Motor ist in den Versionen Aluminium, Edelstahl und Acetal erhältlich. Kolbenluftmotoren von Huco Dynatork sind außerdem bis zu viermal energieeffizienter als Luftflügelmotoren.

Typische Luftmotorinstallationen umfassen Maschinen, die feuchten oder nassen Bedingungen ausgesetzt sind, die zu Korrosion in Elektromotoren führen können. Luftmotoren funktionieren auch unter Wasser und eignen sich hervorragend für raue Waschumgebungen, da sie Hochdruckwasser und Reinigungslösungsmitteln standhalten. Luftmotoren halten auch dem Einbau in vibrierenden Geräten stand. Eine weitere Anwendung findet in explosionsgefährdeten Bereichen statt, wo die von Motoren (und den zugehörigen Schaltanlagen) erzeugten Funken ein unzumutbares Zündrisiko darstellen.

Bei diesen Anwendungen müssen Wirtschaftsingenieure häufig alternative Technologien einsetzen. In einigen Fällen können sie beispielsweise Elektromotoren in sicherer Entfernung installieren und dann Wellen und mechanische Übertragungskomponenten verwenden, um den Strom dorthin zu leiten, wo er benötigt wird.

Eine Liste der gängigsten Luftmotoranwendungen umfasst Farbmischer und Rührwerke, Automatisierungsantriebe für Lackierereien, Förderbandantriebe, Auf- und Abwickelsysteme, Ölfeld-Abwärtskabel- und Schlauchaufrollerspannung sowie Rückspülfilterantriebe. Lebensmittelverpackungsmaschinen sind ebenfalls eine häufige Anwendung, bei der kompakte Luftmotoren Rollen bedruckter Plastiktüten, die zum Verpacken von Fleisch, Geflügel und Käse verwendet werden, präzise starten und stoppen können. Luftmotoren treiben auch Achsen in Verpackungsmaschinen an, die präzise dosierte Mengen Soßen in Beutel füllen.

Moderne Druckluftmotoren sind eine von zwei Technologien. Die ersten – Flügelzellenmotoren – funktionieren wie Turbinen mit Schaufelrädern, die sich im Luftstrom drehen, der durch ein Druckgefälle zwischen Einlass und Auslass des Motorgehäuses erzeugt wird. Die meisten Flügelzellenmotoren laufen mit hoher Geschwindigkeit und erzeugen ein geringes Drehmoment, insbesondere wenn sie langsamer als ihre Auslegungsgeschwindigkeit rotieren. Deshalb kommen sie am häufigsten bei Anwendungen zum Einsatz, die relativ enge Drehzahlbereiche erfordern.

Ähnlich wie ein Diesel- oder Gasmotor verwenden Kolbenluftmotoren hin- und hergehende Kolben, um eine zentrale Welle zu drehen. Sie erzeugen beim Start ein maximales Drehmoment und verbessern so die Leistung von Anwendungen, die häufige Stopps und Starts erfordern – insbesondere unter Last. Wenn hingegen eine Bremse einen Wechsel- oder Gleichstrommotor hält, besteht die Gefahr, dass dieser Motor schnell durchbrennt. Bei einer solchen Bremsung stoppt ein Druckluftmotor einfach und läuft beim Lösen der Bremse wieder nahtlos weiter.

Kolbenluftmotoren von Huco Dynatork werden häufig in Lackierstraßen von Automobilen eingebaut. Die Luftmotoren werden oben an den Farbtrommelrührwerken montiert, um eine konstante Rührflügeldrehzahl aufrechtzuerhalten. Das wiederum sorgt für eine bessere Oberflächengüte und niedrigere Betriebskosten – sowie einen leiseren Betrieb.

Luftmotoren sind weitaus weniger effizient als ihre elektrischen Gegenstücke. Wo Luftmotoren jedoch unverzichtbar sind, bieten Kolbenluftmotoren einen höheren Wirkungsgrad als Luftflügelmotoren. Dies liegt daran, dass sie weniger Luftlecks aufweisen. Letztendlich hängt der Gesamtwirkungsgrad des Motors von der Integrität der Luftversorgung durch den Kompressor ab. Kolbenmotoren können bis zu 80 % weniger Luft verbrauchen als Flügelzellenmotoren mit ähnlicher Leistung.

Die nahezu sofortige Stopp-Start-Rückwärts-Funktion ermöglicht außerdem eine sehr genaue Steuerung der Drehposition der Welle, was sich für Indexierungsanwendungen oder andere Automatisierungsaufgaben eignet, bei denen Präzision erforderlich ist.

Die wichtigste Voraussetzung für den ordnungsgemäßen Betrieb des Luftmotors ist eine konstante Druckluftversorgung. Ein zuverlässiger Kompressor ist oft die optimale Quelle, die Motoren können aber auch mit Druckluftflaschen betrieben werden. Die Luft sollte durch einen Standard-Inline-Filter gefiltert werden und der Luftdruck liegt typischerweise zwischen 4 und 6 bar. Allerdings können einige Modelle mit Drücken bis zu 1 bar betrieben werden.

Luftmotoren können mit oder ohne Luftschmierung betrieben werden. Tipp: Anwendungen, bei denen es auf Sauberkeit ankommt (z. B. Farbspritzgeräte), benötigen immer saubere und ungeölte Luft.

Die Einfachheit von Luftmotoren und ihren Luftversorgungssystemen (im Vergleich zu gleichwertigen Elektroantrieben) erleichtert die Installation und Wartung. Die Motoren sind außerdem leicht und kompakt, sodass sie bei routinemäßigen Wartungsarbeiten angehoben und manövriert werden können. Das Anschließen und Trennen der Luftversorgung ist unkompliziert.

Bedenken Sie, dass die Luftmotoren einiger Hersteller ohne Getriebe Drehzahlen von 0 bis über 800 U/min und ein Drehmoment von bis zu 15 Nm liefern. Einige Motoren sind aus Aluminium, Edelstahl oder Acetal erhältlich … wobei die beiden letztgenannten Optionen für raue Waschumgebungen geeignet sind (dank ihrer hohen Beständigkeit gegenüber ätzenden Säuren und chlorhaltigen Desinfektionsmitteln) – und Acetal besonders für den Einsatz in der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung geeignet ist.

Huco liefert Luftmotoren an einen großen Hersteller automatisierter Lackierkabinensysteme, die von einem globalen Automobilhersteller eingesetzt werden. Der Motor arbeitet mit einem vertikal montierten Antriebssystem, bei dem er über ein Schneckengetriebe ein Karussell antreibt, das mit Farbe gefüllte Behälter an einen Sprühroboter liefert. Der Systembauer verwendet Luftmotoren, um bei Stopp-Start-Rückwärts-Bedingungen sofort ein hohes Drehmoment zu erzielen – selbst bei Drehzahlen bis zu 800 U/min. Auch hier eignen sich Luftmotoren, da die von Elektromotoren erzeugten Funken in der explosionsgefährdeten Lackierkabinenumgebung ein erhebliches Zündrisiko darstellen würden. Foto: iStock

Da Druckluftmotoren nicht direkt auf Strom angewiesen sind, erzeugen sie beim Betrieb keine elektromagnetischen Felder. Spezialmotoren, die ohne magnetische Komponenten hergestellt werden, werden in einer Reihe von Spezialanwendungen eingesetzt, darunter MRT-Scanner, wissenschaftliche Geräte und militärische Anwendungen, bei denen elektromagnetische Emissionen vermieden werden müssen.

Tatsächlich erfüllen Kolbenluftmotoren als jahrzehntelang bewährte Technologie die Automatisierungsanforderungen der Industrie 4.0 – mit hochpräziser Steuerbarkeit (unter Verwendung der Rückmeldung von pneumatischen oder elektronischen Sensoren) und bieten so Konnektivität mit der heutigen Fernüberwachung und -steuerung.

Huco Dynatork | www.huco.com