Warum Niederspannungsantriebe im Maschinenbau boomen

In E-Autos steigt die Spannung – in Industrieantrieben sinkt sie. Motoren mit maximal 60 V breiten sich aus. Getrieben wird der Trend von mobilen Anwendungen, aber nicht von ihnen allein.

"Bei industriellen Anwendungen sehen wir einen wachsenden Trend zu Elektroantrieben mit Schutzkleinspannung, wobei es sich in der Regel um Nennspannungen von 24 oder 48 V DC handelt", erläutert Patrick Schumacher, Head of Product Management Mechatronic Systems bei Siemens Digital Industries, gegenüber springerprofessional.de. Nicht ohne Grund hat der Münchner Konzern jüngst das Geschäft für industrielle Antriebstechnik von ebm-papst übernommen, das 24- und 48-V-Antriebe umfasst. "Wir erschließen uns mit dieser Akquisition neue Geschäfts- und Kundenpotenziale in dem schnell wachsenden Markt intelligenter, batteriebetriebener Antriebslösungen in der Intralogistik sowie mobiler Roboterlösungen", sagte Siemens-Vorstand Cedrik Neike zu der Übernahme.

Auch Bosch Rexroth und der Antriebs- und Automatisierungsspezialist Lenze registrieren den Trend zu Motoren, die mit niedrigen Spannungen betrieben werden. Wichtige Treiber für die Verbreitung der niedrigen Spannungen sind der immer stärkere Einsatz von mobilen und modularen Systemen sowie Kosteneinsparungen. 

Mobile Robotik als wichtiger Treiber

"Ein besonders wichtiger Vorteil ist der vereinfachte Batteriebetrieb, vor allem bei autonomen Flurförderfahrzeugen und mobilen Robotersystemen, was die Mobilität und Einsatzflexibilität deutlich erhöht", hebt Patrick Schumacher von Siemens hervor.

"Mobile Robotik ist das prominenteste Anwendungsfeld für die Verbreitung von Motoren mit Spannungen bis 60 V DC", unterstreicht auch Marco Mehling, Business Owner Motoren, Business Unit Automation & Electrification Solutions bei Bosch Rexroth. Autonome Mobile Roboter (AMR) und Fahrerlose Transportsysteme (AGV, Automated Guided Vehicles) seien auf kompakte, batteriebetriebene und sichere Antriebe angewiesen. Sie seien "erst durch moderne Batterietechnik und kompakte Niederspannungsantriebe wirtschaftlich und technologisch realisierbar geworden". Für mobile batteriebetriebene Systeme sei es auch von Vorteil, dass man mit Niederspannungsmotoren auf aufwendige Spannungswandlungen verzichten könnte. 

Gestützt auf Zahlen der International Federation of Robotics berichtet der VDMA, dass 2024 die Verkäufe mobiler Roboter für die Intralogistik um 14 % gewachsen sei.

Derartige Anwendungen sorgten für einen Großteil des Wachstums. Intralogistik sowie kompakte Handhabungssysteme und Robotik-Anwendungen, bei denen es auf geringen Platzbedarf und Sicherheit ankomme, seien ebenfalls wichtige Einsatzgebiete.

"Auch in der kollaborativen Robotik, bei leichten Cobots für die Mensch-Maschine-Zusammenarbeit, mobilen Assistenzrobotern und Präzisionsmanipulatoren gewinnen sie an Bedeutung", ergänzt Patrick Schumacher.

Einfache Installation ohne spezielle Fachkräfte

Für den Maschinenbau allgemein konstatiert Bosch-Rexroth-Experte Mehling: "Überall dort, wo dezentrale Antriebslösungen und eine einfache, sichere Installation ohne spezielle Elektrofachkräfte gefragt sind, gewinnen Kleinspannungsantriebe an Bedeutung."

"Der Einsatz von Niederspannungsmotoren konzentriert sich aktuell vor allem auf Anwendungen mit begrenztem Leistungsbedarf und hohem Anspruch an Sicherheit und Flexibilität, wie beispielsweise modulare Maschinenkonzepte, Handhabungssysteme oder kompakte Förderanlagen", fasst Peter Sürig, Senior Vice President Electromechanics bei Lenze zusammen.

Neben den noch relativ jungen Anwendungen im Bereich der mobilen und dezentralen Automatisierungsaufgaben halten Niederspannungsantriebe aber auch Einzug in Anwendungen, die bislang mit höheren Spannungen oder überhaupt nicht elektrisch angetrieben wurden.

Elektroantriebe ersetzen Pneumatik

"Wir beobachten auch eine Substitution bestehender Technologien", erläutert etwa Lenze-Manager Sürig. So würden beispielsweise bislang pneumatische Systeme zunehmend durch Elektromotoren getrieben, um eine höhere Energieeffizienz, bessere Regelbarkeit und geringere Wartungskosten zu erreichen. Auch bei Schrittmotoren gebe es eine Entwicklung hin zu höherer Dynamik und Präzision, was den Einsatz moderner Niederspannungs-Servoantriebe begünstige. In einigen Fällen würden zudem Systeme mit höherer Spannung durch Niederspannungslösungen ersetzt, etwa wenn Sicherheitsanforderungen steigen oder eine batteriebasierte Versorgung gewünscht sei.

"Auch in Anwendungen, in denen bisher 230-Volt-Antriebe zum Einsatz kamen, können aus Sicherheitsgründen und zur Vereinfachung der Installation nun 48-Volt-Lösungen verwendet werden", sagt Marco Mehling von Bosch Rexroth. 

Die Sicherheitsaspekte stellen gleichzeitig einen wichtigen Kostenfaktor dar. "Antriebe in Schutzkleinspannung bieten Vereinfachungen in der Motorauslegung, erfordern weniger Schutzmaßnahmen im Betrieb und verringern gleichzeitig die Gefahren für Leib und Leben“, erklärt Patrick Schumacher. Und sie sind einfacher zu handhaben. "Spannungen unter 60 V DC gelten als Schutzkleinspannung (SELV, Safety Extra Low Voltage). Arbeiten an diesen Systemen erfordern in der Regel keine speziell ausgebildeten Elektrofachkräfte, was die Installation und Wartung vereinfacht und Kosten senkt", betont Marco Mehling von Bosch Rexroth. 

Das vereinfache nicht nur die Installation, sondern reduziere auch die laufenden Kosten im Betrieb, da Wartungs- und Servicearbeiten schneller und flexibler durchgeführt werden könnten, betont Lenze-Manager Sürig

Hohe Leistungen sind Herausforderung

Allerdings sind Antriebe mit Schutzkleinspannung nicht für jeden Einsatzfall die beste Lösung. "Diese Systeme ergänzen das konventionelle Niederspannungsportfolio der Antriebstechnik, ersetzen es aber nicht vollständig. Sie schaffen vielmehr neue Möglichkeiten für flexiblere, sicherere und modularere Industrieanwendungen" erläutert Siemens-Manager Schumacher.

Denn niedrige Spannungen bringen auch handfeste Einschränkungen mit sich, wenn hohe Leistungen erforderlich sind. Die lassen sich zwar prinzipiell auch mit niedrigen Spannungen erreichen, erfordern dann aber entsprechend höhere Stromstärken entsprechend der Gleichung P = U x I (Leistung = Spannung x Stromstärke). Hohe Stromstärken erfordern aber entsprechend höhere Kabelquerschnitte und/oder eine aufwendige Kühlung, die doppelte Effizienzverluste verursacht: erstens in Form der Wärmeverluste und zweitens durch den Energieaufwand für den Abtransport dieser Wärme.

"Daher steigen die Anforderungen an die Verkabelung, die Kontaktierung und die thermische Auslegung der Komponenten", erläutert Peter Sürig, von Lenze. Diese Herausforderungen seien jedoch gut beherrschbar – durch eine gezielte Optimierung der Motor- und Elektronikkomponenten sowie durch intelligente Steuerungs- und Regelungskonzepte. 

Lange Kabelwege vermeiden

"Optimierte Motordesigns, effiziente Leistungselektronik und die Platzierung der Antriebe nahe am Verbraucher, um lange Kabelwege zu vermeiden", nennt auch Marco Mehling von Bosch Rexroth als Lösungen für diese Herausforderungen. Dennoch "blieben für sehr leistungsstarke Anwendungen höhere Spannungen oft die bessere Wahl". 

Das ist auch der Grund dafür, dass bei Elektroautos der Trend zu steigenden Spannungen geht. "Die Antriebsleistung eines AMR liegt typischerweise im Bereich von wenigen Kilowatt", betont Marco Mehling. Bei Automobilen sind es oft mehrere hundert Kilowatt. Um bei einem solchen Leistungsbedarf hunderte Kilometer zurücklegen zu können, sind Batterien mit entsprechend hoher Kapazität erforderlich. Um diese dann schnell aufladen zu können, kommen oft Ladeleistungen von mehreren hundert kW zum Einsatz. Alles Gründe für eine hohe Spannung, die im industriellen Umfeld aber keine so große Rolle spielen, weil dort in mobilen Anwendungen weniger Leistung und Batteriekapazität nötig sind.

"In der Industrie hingegen spielen andere Faktoren eine Rolle, etwa die elektrische Sicherheit, die Komplexität der Installation oder die Integration in bestehende Maschinenkonzepte", betont Lenze-Manager Peter Sürig. "Gerade bei Anwendungen wie AGVs oder AMRs ist das schnelle Laden zwar ein Thema, aber es wird immer im Gesamtkontext betrachtet, also inklusive Infrastruktur, Energieversorgung und Sicherheitsanforderungen."