Bei der Abstimmung eines Synchronmotors auf ein Getriebe geht es nicht nur darum, zwei mechanische Bauteile miteinander zu verbinden. Die richtige Kombination muss Ihren Anforderungen hinsichtlich Drehzahl, Drehmoment, Belastungsart, Einschaltdauer, Einbauraum, Wirkungsgradziel und Sicherheitsfaktor gerecht werden.

Ist der Motor zu klein, kann es vorkommen, dass das System nicht anläuft, überhitzt, den Synchronlauf verliert oder unter Last ausfällt. Wird das Getriebe nicht richtig ausgewählt, kann es zu hohem Verschleiß, Vibrationen, Spiel, Ölaustritt oder vorzeitigem Getriebeausfall kommen.

Abgleich von Synchronmotor und Getriebe

Abgleichfaktoren	Was zu prüfen ist	Warum es wichtig ist
Abtriebsdrehzahl	Erforderliche Maschinendrehzahl	Bestimmt das Untersetzungsverhältnis des Getriebes
Abtriebsdrehmoment	Erforderliches Lastdrehmoment	Stellt sicher, dass das System die Last antreiben kann
Motorleistung	Nennleistung in kW oder HP	Verhindert Überlastung und Überhitzung
Übersetzungsverhältnis	Motordrehzahl ÷ Abtriebsdrehzahl	Steuert die Drehzahl an der Abtriebswelle
Einsatzfaktor	Laststoß und Einschaltdauer	Schützt das Getriebe vor Beschädigungen
Montageart	Fuß, Flansch, Wellenmontage	Gewährleistet mechanische Kompatibilität
Wellengröße	Motorwelle und Getriebeeingang	Vermeidet Probleme mit Kupplung und Ausrichtung
Wirkungsgrad	Verluste an Motor und Getriebe	Beeinflusst den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung
Spiel	Zahnradspiel	Wichtig für die Positioniergenauigkeit
Umgebung	Staub, Feuchtigkeit, Temperatur	Beeinflusst Dichtung, Schmierung und Schutz

Die erforderliche Abtriebsdrehzahl ermitteln

Der erste Schritt besteht darin, die von Ihrer angetriebenen Maschine benötigte Drehzahl zu ermitteln. Die Drehzahl eines Synchronmotors hängt von der Frequenz und der Polzahl ab. Das Getriebe reduziert diese Motordrehzahl auf die von der Anlage benötigte Betriebsdrehzahl.

Grundformel

Übersetzungsverhältnis = Motordrehzahl ÷ Erforderliche Abtriebsdrehzahl

Beispiel: Wenn Ihr Synchronmotor mit 1500 U/min läuft und Ihre Maschine 100 U/min benötigt:

Übersetzungsverhältnis = 1500 ÷ 100 = 15:1

Das bedeutet, dass Sie ein Getriebe mit einem Untersetzungsverhältnis nahe 15:1 benötigen.

Gängige Beispiele für Motordrehzahlen und Übersetzungsverhältnisse

Motordrehzahl	Erforderliche Abtriebsdrehzahl	Ungefähres Übersetzungsverhältnis	Typische Anwendung
3000 U/min	300 U/min	10:1	Kleine Automatisierungsanlagen
1.500 U/min	150 U/min	10:1	Förderbandantrieb
1.500 U/min	100 U/min	15:1	Mischer oder Dosierer
1.000 U/min	50 U/min	20:1	Hochleistungsförderband
750 U/min	30 U/min	25:1	Drehtisch oder langsamer Antrieb

Berechnung des erforderlichen Ausgangsdrehmoments

Das Drehmoment ist entscheidend, wenn ein Synchronmotor mit einem Getriebe kombiniert wird. Das Getriebe reduziert die Drehzahl, erhöht aber das Drehmoment. Dadurch kann ein kleinerer Hochgeschwindigkeitsmotor eine Last mit niedrigerer Drehzahl und höherem Drehmoment antreiben.

Grundlegende Drehmomentformel

Drehmoment = 9550 × Leistung ÷ Drehzahl

Dabei gilt:

• Das Drehmoment in N·m
• Leistung in kW
• Drehzahl in U/min

Beispiel: Bei einer Motorleistung von 5,5 kW und einer Abtriebsdrehzahl des Getriebes von 100 U/min gilt:

Drehmoment = 9550 × 5,5 ÷ 100 = 525,25 N·m

Das bedeutet, dass das Abtriebsdrehmoment des Getriebes unter Berücksichtigung von Wirkungsgrad und Sicherheitsfaktor höher als 525 N·m sein sollte.

Wählen Sie die richtige Motorleistung

Die Leistung des Synchronmotors sollte dem Lastbedarf entsprechen. Ist die Motorleistung zu gering, kann der Motor möglicherweise nicht anlaufen, mit hohem Strom laufen, den Synchronlauf verlieren oder überhitzen. Ist die Motorleistung zu hoch, steigen die Systemkosten und die Energieeffizienz kann bei geringer Last beeinträchtigt werden.

Bei der Auswahl der Motorleistung ist Folgendes zu prüfen:

• Anforderungen an das Anlaufdrehmoment
• Dauerlaufdrehmoment
• Spitzenlastdrehmoment
• Lastträgheit
• Betriebsstunden pro Tag
• Anzahl der Starts und Stopps
• Stoßbelastungsgrad
• Umgebungstemperatur
• Kühlbedingungen

Bei gleichmäßigen Lasten, wie beispielsweise Ventilatoren oder Pumpen, lässt sich die erforderliche Leistung in der Regel leichter berechnen. Bei Stoßbelastungen, wie beispielsweise Brechern, Mischern, Pressen oder schweren Förderanlagen, ist eine höhere Sicherheitsmarge erforderlich.

Wählen Sie das richtige Getriebeübersetzungsverhältnis

Sobald die Motor- und Abtriebsdrehzahlen feststehen, wählen Sie das Getriebeübersetzungsverhältnis. Es kann jedoch vorkommen, dass das genaue Standard-Getriebeübersetzungsverhältnis nicht perfekt zu Ihrer Berechnung passt. Wählen Sie in diesem Fall das am besten passende Standardverhältnis und prüfen Sie, ob die endgültige Abtriebsdrehzahl akzeptabel ist.

Beispiel

Motordrehzahl: 1500 U/min
Erforderliche Abtriebsdrehzahl: 120 U/min

Erforderliches Übersetzungsverhältnis = 1500 ÷ 120 = 12,5:1

Wenn die Standardübersetzungsverhältnisse 10:1, 12:1, 15:1 und 20:1 betragen, ist möglicherweise ein Verhältnis von 12:1 besser geeignet, sofern die Maschine eine etwas höhere Abtriebsdrehzahl zulässt.

Prüfen Sie die Drehmomentkapazität des Getriebes

Prüfen Sie nicht nur das Übersetzungsverhältnis. Sie müssen auch prüfen, ob das Getriebe das erforderliche Drehmoment bewältigen kann. Ein Getriebe mit dem richtigen Übersetzungsverhältnis, aber unzureichender Drehmomentkapazität kann schnell ausfallen.

Sie sollten vergleichen:

• Erforderliches Lastdrehmoment
• Nenn-Abtriebsdrehmoment des Getriebes
• Spitzendrehmomentkapazität
• Sicherheitsfaktor
• Überlastfähigkeit
• Wärmebelastbarkeit

Bei Hochbelastung sollte das Nenn-Drehmoment des Getriebes höher sein als das berechnete Drehmoment nach Anwendung eines Betriebsfaktors.

Berücksichtigen Sie den Betriebsfaktor

Der Betriebsfaktor ist ein Sicherheitsmultiplikator, der dazu dient, das Getriebe vor den tatsächlichen Betriebsbedingungen zu schützen. Eine Maschine, die 8 Stunden pro Tag reibungslos läuft, benötigt einen geringeren Betriebsfaktor als eine Maschine, die 24 Stunden pro Tag unter Stoßbelastungen arbeitet.

Empfohlene Richtwerte für den Betriebsfaktor

Betriebsbedingungen	Belastungsart	Betriebszeit	Empfohlener Betriebsfaktor
Leichte Beanspruchung	Gleichmäßige Belastung	Weniger als 8 Stunden/Tag	1,0–1,2
Mittlere Beanspruchung	Mäßige Belastung	8–16 Stunden/Tag	1,2–1,5
Schwerlast	Stoßbelastung	16–24 Stunden/Tag	1,5–2,0
Extrem hoher Betrieb	Häufige Stöße	Dauerbetrieb	2,0+

Wenn Ihr berechnetes Drehmoment beispielsweise 500 N·m beträgt und der Betriebsfaktor 1,5 ist:

Erforderliches Drehmoment des Getriebes = 500 × 1,5 = 750 N·m

Sie sollten also ein Getriebe wählen, das für mindestens 750 N·m ausgelegt ist.

Anpassung an die Anlaufcharakteristik des Motors

Synchronmotoren haben im Vergleich zu Standard-Asynchronmotoren andere Anlaufanforderungen. Einige Synchronmotoren verwenden Dämpferwicklungen, Frequenzumrichtersteuerung, Sanftanlasser oder spezielle Anlaufsysteme. Bei der Auswahl eines Getriebes müssen Sie sicherstellen, dass das Getriebe und die angetriebene Last keinen übermäßigen Anlaufwiderstand erzeugen.

Prüfen Sie folgende Punkte:

• Kann der Motor die Last über das Getriebe anlaufen?
• Ist die Last beim Anlaufen zu schwer?
• Ist die Massenträgheit der Last zu hoch?
• Benötigt der Motor einen lastfreien Anlauf?
• Ist eine Kupplung oder ein Sanftanlaufsystem erforderlich?
• Wird das Getriebe beim Anlaufen starken Stößen ausgesetzt sein?

Bei Lasten mit hoher Trägheit benötigt der Motor möglicherweise eine längere Beschleunigungszeit oder eine andere Anlaufmethode.

Lastart und Anwendung prüfen

Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche Getriebetypen. Ein Förderband kann ein Stirnradgetriebe oder ein auf die Welle montiertes Getriebe verwenden. Ein Präzisionsautomatisierungssystem benötigt möglicherweise ein Planetengetriebe. Ein Hebesystem benötigt möglicherweise ein Schneckengetriebe oder einen Bremsmotor. Ein Mischer benötigt möglicherweise ein hochbelastbares Kegelstirnradgetriebe.

Gängige Getriebeoptionen

• Stirnradgetriebe: Hoher Wirkungsgrad, ruhiger Lauf, geeignet für Förderanlagen und allgemeine Maschinen.
• Planetengetriebe: Kompakte Bauweise, hohe Drehmomentdichte, gut geeignet für Automatisierung und Präzisionssteuerung.
• Schneckengetriebe: Hohes Untersetzungsverhältnis, kompakte Bauweise, geeignet für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen.
• Kegelradgetriebe: Geeignet für rechtwinklige Kraftübertragung.
• Stirn-Kegelradgetriebe: Robust, effizient und geeignet für den industriellen Schwerlastbetrieb.

Überprüfen Sie die Kompatibilität von Welle, Kupplung und Befestigung

Die mechanische Kompatibilität ist sehr wichtig. Selbst wenn die Nennleistungen von Motor und Getriebe stimmen, können eine schlechte Wellenanpassung oder eine fehlerhafte Ausrichtung zu Vibrationen, Lagerschäden und Kupplungsausfällen führen.

Sie sollten Folgendes prüfen:

• Durchmesser der Motorwelle
• Abmessungen der Getriebeeingangswelle
• Größe der Keilnut
• Kupplungstyp
• Einbaulage
• Flanschgröße
• Grundhöhe
• Höhe der Wellenmittellinie
• Drehrichtung
• Platzbedarf für Installation und Wartung

Bei direktem Anschluss müssen der Motorflansch und der Antriebsflansch des Getriebes zueinander passen. Bei Kupplungsanschluss muss die Wellenausrichtung präzise sein.

Berücksichtigen Sie den Wirkungsgrad des Getriebes

Getriebe verlieren bei der Kraftübertragung einen Teil der Energie. Stirnrad- und Planetengetriebe weisen in der Regel einen höheren Wirkungsgrad auf, während Schneckengetriebe insbesondere bei hohen Untersetzungsverhältnissen einen geringeren Wirkungsgrad haben können.

Wenn Ihre Anlage viele Stunden pro Tag in Betrieb ist, kommt dem Wirkungsgrad des Getriebes große Bedeutung zu. Ein Getriebe mit höherem Wirkungsgrad kann Energiekosten, Wärmeentwicklung und langfristige Betriebskosten senken.

Ungefährer Wirkungsgradbereich

Getriebetyp	Typischer Wirkungsgrad	Hauptvorteil
Stirnradgetriebe	90 %–96 %	Effiziente, gleichmäßige Leistung
Planetengetriebe	90 %–97 %	Kompakte Bauweise mit hohem Drehmoment
Kegelstirnradgetriebe	88 %–95 %	Starkes Winkelgetriebe
Schneckengetriebe	50 %–90 %	Großer Übersetzungsbereich und kompakte Bauweise

Anforderungen an das Spiel prüfen

Spiel bezeichnet das geringe Spiel zwischen den Zahnradzähnen. Bei einfachen Förderbändern oder Mischern stellt ein geringes Spiel möglicherweise kein großes Problem dar. Bei Positioniersystemen, Robotik, CNC-Anlagen, Rundschalttischen und Automatisierungsmaschinen ist die Spielkontrolle jedoch von großer Bedeutung.

Verwenden Sie für eine präzise Positionierung ein Getriebe mit geringem Spiel, wie beispielsweise ein Präzisionsplanetengetriebe.

Passen Sie das Getriebe an die Betriebsumgebung an

Die Betriebsumgebung beeinflusst die Lebensdauer des Getriebes. Staub, Feuchtigkeit, Chemikalien, hohe oder niedrige Temperaturen sowie der Einsatz im Freien können die Auswahl des Getriebes beeinflussen.

Für raue Umgebungen sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

• Höhere IP-Schutzart
• Bessere Wellendichtungen
• Korrosionsschutzbeschichtung
• Lebensmittelverträgliche Schmierung, falls erforderlich
• Hochtemperaturfett oder -öl
• Explosionsgeschützte Motorkonstruktion, falls erforderlich
• Robusteres Gehäusematerial

Bei Geräten für den Außenbereich sind Dichtheit und Korrosionsbeständigkeit besonders wichtig.

Überprüfung von Schmierung und Wartung

Getriebe benötigen eine ordnungsgemäße Schmierung, um Reibung und Verschleiß zu minimieren. Prüfen Sie vor der endgültigen Auswahl die Schmiermethode und die Wartungsanforderungen.

Wichtige Punkte sind:

• Öltyp
• Ölwechselintervall
• Fettanforderungen
• Einbaulage
• Position der Entlüftungsschraube
• Ölstandskontrolle
• Dichtungswechsel
• Betriebstemperatur

Eine falsche Einbaulage kann zu mangelnder Schmierung, Ölleckagen und Getriebeausfall führen.

Vermeiden Sie häufige Fehler bei der Auswahl

Viele Ausfälle von Motoren und Getrieben sind darauf zurückzuführen, dass bei der Auswahl lediglich Leistung und Drehzahl berücksichtigt werden, während die tatsächlichen Betriebsbedingungen außer Acht gelassen werden.

Zu den häufigen Fehlern gehören:

• Auswahl ausschließlich anhand der Motorleistung
• Nichtberücksichtigung des Betriebsfaktors
• Auswahl eines falschen Übersetzungsverhältnisses
• Verwendung eines Getriebes mit unzureichendem Abtriebsdrehmoment
• Das Ignorieren von Stoßbelastungen
• Anlaufdrehmoment nicht berücksichtigen
• Falsche Wellenausrichtung
• Falsche Einbaulage
• Nichtberücksichtigung des Wirkungsgrads des Getriebes
• Auswahl eines Getriebes mit geringem Spiel erst nach Auftreten von Problemen

Schritt-für-Schritt-Auswahlverfahren

Sie können diesen Prozess befolgen, wenn Sie einen Synchronmotor auf ein Getriebe abstimmen:

1. Bestimmen Sie die erforderliche Abtriebsdrehzahl.
2. Bestimmen Sie das erforderliche Abtriebsdrehmoment.
3. Wählen Sie die Leistung und Drehzahl des Synchronmotors aus.
4. Berechnen Sie das Übersetzungsverhältnis des Getriebes.
5. Wählen Sie den Getriebetyp aus.
6. Prüfen Sie das Nenndrehmoment des Getriebes.
7. Wenden Sie den Betriebsfaktor an.
8. Prüfen Sie das Anlaufdrehmoment und die Lastträgheit.
9. Überprüfen Sie die Abmessungen von Welle, Flansch und Befestigung.
10. Prüfen Sie den Wirkungsgrad, das Spiel und den Schutzgrad.
11. Überprüfen Sie die Schmier- und Wartungsanforderungen.
12. Testen Sie das System unter realen Lastbedingungen.

Die Abstimmung eines Synchronmotors auf ein Getriebe erfordert sorgfältige Berechnungen und eine Überprüfung der praktischen Anwendung. Dabei müssen Sie die Abtriebsdrehzahl, das Drehmoment, die Motorleistung, das Übersetzungsverhältnis, den Betriebsfaktor, die Lastart, die Anlaufbedingungen, die Befestigungsart, den Wirkungsgrad und die Betriebsumgebung berücksichtigen. Ein gut abgestimmtes System sorgt für eine stabile Drehzahl, eine zuverlässige Drehmomentübertragung, geringere Energieverluste und eine längere Lebensdauer. Überprüfen Sie vor der endgültigen Auswahl stets sowohl die Motordaten als auch die Nennleistung des Getriebes und stellen Sie sicher, dass das gesamte Antriebssystem den tatsächlichen Betriebsbedingungen gewachsen ist und nicht nur theoretischen Berechnungen entspricht.