Danfoss und die Zukunft der elektrischen Maschinenleistung

Danfoss-Stand auf der Agritechnica 2025 (Foto: Danfoss)

Da elektrifizierte Lösungen einen immer größeren Anteil am Energiemarkt ausmachen, wird die Möglichkeit zur individuellen Anpassung dieser Produkte noch wichtiger.

Danfoss Power Solutions präsentierte auf der letztjährigen Agritechnica, der weltweit größten Fachmesse für Landmaschinen und zugehörige Energielösungen, eine Reihe von Komponenten und Systemen. Die Neuheiten unterstrichen die breite Palette an Kompetenzen des dänischen Unternehmens, darunter Hydraulik, E-Hydraulik, Elektrifizierung, Digitalisierung, Autonomie und die dazugehörige Software.

„Gemeinsam mit unseren Kunden liefern wir in den Maschinen von heute unübertroffene Leistung und setzen gleichzeitig den Standard für die Maschinen von morgen. Wir treiben nicht nur die Landwirtschaft voran, sondern gestalten eine bessere Zukunft“, sagte Steen Rohleder, Vice President EMEA Sales bei Danfoss Power Solutions.

Zu den Neuheiten zählte auch der Niederspannungs-Elektromotor Editron EM-PMI-180. Der 48-V-Synchron-Reluktanzmotor mit Permanentmagneten (SRPM) ist für den Antrieb von Hydraulikzahnradpumpen in kompakten Elektromaschinen wie Hubarbeitsbühnen, Scherenbühnen, Kompaktladern und Baggern konzipiert.

Editron EM-PMI-180 48-V-Niederspannungs-Elektromotor auf der Agritechnica 2025 (Foto: Danfoss)

Im Vergleich zu ACIM-Motoren bietet die SRPM-Technologie ein höheres Drehmoment und mehr Leistung bei kompakterer Bauweise. Die Größenreduzierung ist unter anderem auf die Verwendung von Haarnadelwicklungen zurückzuführen. Diese verringern den Abstand zwischen den einzelnen Drahtwicklungen des Stators und ermöglichen so ein kleineres, aber dennoch leistungsstarkes Endprodukt. Dies ist ideal für Maschinen, bei denen der Platz begrenzt ist.

Adoptionsweg

Um einen Einblick in die generelle Ausrichtung von Danfoss in Bezug auf die Produktentwicklung zu erhalten, sprach Power Progress International während der Agritechnica 2025 mit Jeff Herrin, Senior Vice President für Innovation und Entwicklung.

Mit der Markteinführung des zuvor erwähnten Editron-Motors und der zunehmenden Verbreitung elektrischer Lösungen, die nicht nur die Hydraulik unterstützen, sondern in einigen Fällen sogar ersetzen sollen, wurde Herrin gebeten, sich dazu zu äußern, ob dies das Ende für hydraulische Lösungen in Maschinenanwendungen bedeute.

„Vor zwei oder drei Jahren war die Elektrifizierung noch ein brandneues Thema. Und sie sorgte für großes Aufsehen. Unternehmen, die ihre erste Lösung mit Elektromotoren oder Wechselrichtern vorstellten, wollten diese prominent auf ihrem Stand präsentieren, um zu zeigen, dass sie mitmischten.“

Das war vor fünf Jahren. Was ich heute sehe, ist, dass die Elektrifizierung immer mehr zum Standard wird. Viele Unternehmen setzen mittlerweile Hybrid- oder vollelektrische Maschinen ein, daher besteht für mich kein Zweifel daran, dass die Elektrifizierung mobiler Arbeitsmaschinen auf dem Vormarsch ist. Das ist nichts Neues. Interessanter ist die Frage, wie schnell diese Entwicklung voranschreitet, sowohl im Hinblick auf die Maschinenentwicklung als auch auf das Kundeninteresse.

Herrin stellt fest, dass die Anzahl der verkauften rein elektrischen Maschinen weit unter den Prognosen von vor drei oder vier Jahren liegt. Dies sei vor allem darauf zurückzuführen, dass sich die Wirtschaftlichkeit elektrifizierter Maschinen noch nicht so weit entwickelt habe, dass sie sich flächendeckend durchsetzen würden. Zwar habe sich der ROI von Elektromaschinen im Vergleich zu hydraulischen Maschinen hinsichtlich Maschinenpreis, Betriebskosten und Gesamtbetriebskosten verbessert, er liege aber noch nicht auf dem Niveau herkömmlicher Alternativen.

Jeff Herrin, Danfoss Power Solutions

„Das ist eine klassische Henne-Ei-Geschichte“, sagt er. „Wenn die Produktionsmengen steigen, sinken die Maschinenpreise und die Maschinen werden attraktiver. Aber solange die Mengen nicht steigen, sind elektrische Maschinen immer noch deutlich teurer als ihre diesel-/hydraulischen Pendants.“

Wertversprechen

Herrin erklärt, dass die OEMs sich deshalb zunächst für Maschinen mit einer Leistung von bis zu etwa 100 kW entschieden haben, weil die für Elektrogabelstapler entwickelte Technologie bereits weit verbreitet ist. Er führt aus, dass dieser Niederspannungstechnologie-Ansatz die Entwicklung neuer, elektrisch betriebener Maschinen maßgeblich vorangetrieben hat.

„Wir beobachten derzeit, wie bewährte Elektrotechnik in anderen Anwendungsbereichen mit Mehrwert eingesetzt wird. Viele der jüngsten Akquisitionen von Danfoss betrafen den Hochspannungssektor. Zwar steigen mit zunehmender Spannung auch die Sicherheitsanforderungen, doch ermöglicht dies den Einsatz leistungsstärkerer Maschinen mit einer Leistung von rund 300 kW in 500- oder 800-V-Systemen.“

Herrin ist der Ansicht, dass es einige traditionell hydraulisch betriebene Anwendungen gibt, bei denen die Elektrifizierung bereits stattgefunden hat oder zukünftig stattfinden wird. Unmittelbar im Anschluss daran weist er jedoch darauf hin, dass es auf der Agritechnica schwierig wäre, eine Maschine ohne Hydraulik zu finden.

Dennoch werden elektrische Lösungen in verschiedenen Anwendungsbereichen Einzug halten, sei es im Antriebssystem oder bei der Nebenabtriebsfunktion. Darüber hinaus gibt es natürlich Hybridlösungen, bei denen Elektromotoren und hydraulische Antriebspumpen zusammenarbeiten.

„Die größte Herausforderung bei der Elektrifizierung“, sagt Herrin, „ist die leistungsstarke lineare Betätigung. Der Hydraulikzylinder hat eine lange Lebensdauer vor sich. Es ist beeindruckend, was diese leistungsstarken Komponenten leisten können, und sie sind kosteneffektiv.“

Auf die Frage, ob die Ablösung der Hydraulik durch elektrische Lösungen unausweichlich sei, folgt eine kurze Pause vor der Antwort. „Langfristig könnte man das argumentieren. Besonders bei Drehantrieben, Radantrieben usw. Aber zwei Dinge müssen geschehen: Der Preis [elektrischer Lösungen] muss deutlich sinken und die Leistungsdichte von Elektromotoren muss steigen – in vielen Fällen passen die Motoren einfach nicht in mobile Geräte.“

Er merkt an, dass die Hydraulik eine der leistungsstärksten Technologien überhaupt ist, selbst im Vergleich zu Elektromotoren. Und dann ist da noch das Problem der Skalierung;

Herrin: „Man kann Elektromotoren skalieren, um mehr Leistung zu erzielen – das basiert üblicherweise auf der Drehzahl –, aber sobald die maximale Drehzahl erreicht ist, skalieren sie nicht mehr gut. Motoren werden sehr schnell sehr groß. Daher sind Rotationsanwendungen nach wie vor das richtige Einsatzgebiet für Elektromotoren, da man die aufwendigen und mühsamen linearen Umrüstungen nicht durchführen muss! Die Verbreitung wird jedoch zunehmen, sobald Preise und Baugrößen sinken.“

Neue Motortechnologie

Dies knüpft natürlich nahtlos an den 48-V-Niederspannungsmotor Editron EM-PMI-180 an, der ohne Leistungsverlust verkleinert wurde.

Dies wurde durch den Austausch des Kupferdrahts erreicht, der sich hunderte Male um den Stator wickelt. Während der Draht, der den Stator umwickelt, zuvor einen abgerundeten Querschnitt aufwies, verwendet das neue Modell einen Flachdraht mit eckigen Kanten. Dadurch verringert sich der Abstand zwischen den einzelnen Wicklungen, wodurch die Gesamtgröße des Stators – und damit des Motors – reduziert werden kann.

Das Anwendungsentwicklungszentrum (ADC) von Danfoss in Nordborg, Dänemark (Foto: Danfoss)

„Die Form des Drahtes ist entscheidend für die Größenreduzierung unseres neuesten Motors; wir nennen das unsere Haarnadeltechnologie“, sagt Herrin. „Auch die Magnete wurden hinsichtlich ihrer Größe optimiert, sodass die Konstruktions- und Produktionstechnologie einen leistungsstärkeren Elektromotor ermöglicht.“

Herrin ist überzeugt, dass genau diese Art von Fortschritt in den nächsten Produktgenerationen dazu führen wird, dass sich Rotationsmotoren als vorherrschende Technologie in mobilen Anwendungen etablieren. Er fügt jedoch hinzu, dass Innovationen im Hinblick auf Kostensenkung und weitere Miniaturisierung weiterhin notwendig sind.

„Elektrische Energie war in industriellen Anwendungen schon immer weit verbreitet, da es keine Platzbeschränkungen gab. Die Größe des Motors spielte keine Rolle; man integrierte einfach das Netzteil und montierte es auf einem Rahmen. Im mobilen Bereich ist das anders, da zählt jeder Quadratzentimeter an Bord einer Maschine“, sagt er.

Technologie treibt den Wandel voran

Herrin wurde 2021 in seine jetzige Position bei Danfoss Power Solutions berufen, verfügt aber bereits über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung neuer Technologien. Auf die Frage, was sich im Bereich Forschung und Entwicklung aufgrund der Entwicklungen im Energiemarkt verändert habe, antwortete er, eine der größten Herausforderungen sei die Gewinnung neuer Talente mit den erforderlichen Fähigkeiten zur Unterstützung der kontinuierlichen Produktentwicklung gewesen.

„Für die Entwicklung von Technologien werden unterschiedliche Ingenieure benötigt, und im Bereich der Elektrifizierung mussten meine Konstruktionsteams neue Kompetenzen erwerben, um Ideen in die Realität umzusetzen. Wir konnten nicht einfach Maschinenbauingenieure mit der Entwicklung von Wicklungen für Elektromotoren beauftragen.“

Herrin erklärt, dass sich auch die Softwareentwicklung stark verändert habe und als Voraussetzung für die Entwicklung neuer Produkte stetig gewachsen sei. „Als ich anfing, machte die Softwareentwicklung etwa 10 % unserer Ingenieursbelegschaft aus. Ich würde sagen, heute sind es rund 30 % – Tendenz steigend.“

Unverändert geblieben ist das Anwendungsspektrum, das Danfoss mit seinen Produkten unterstützt. Doch während dieser Anwendungsschwerpunkt weiterhin besteht, betont Herrin, dass der Wandel von Mechanik und Hydraulik als primären Maschinensteuerungsmechanismen hin zu Elektronik und Software, die diese Funktionen ausführen, ein grundlegender Treiber für das gesamte Unternehmen war.

„Früher verkauften wir viele Hydraulikpumpen, die Maschinen über eine mechanische Verbindung antrieben. Heute werden fast 100 % unserer Lösungen softwaregesteuert und verfügen über eine Schnittstelle zur Systemsteuerung. Selbst dort, wo noch mechanische Elemente vorhanden sind, ist Elektronik integriert, um die lokale Steuerung zu optimieren. Diese Transformation hat sich in den letzten 25 Jahren vollzogen. Ich bin mir nicht sicher, ob heute noch jemand eine Pumpe ohne softwaregesteuerte Schnittstelle kaufen möchte.“

Der Wechsel zu einer softwaregestützten Produktentwicklung hat weitere Herausforderungen mit sich gebracht, darunter Cybersicherheit und funktionale Sicherheit, die jeweils eine eigene Lösung im Rahmen des F&E-Prozesses erfordern.

Kundenspezifische Lösungen

Beispiel einer Stromversorgungslösung am Stand von Danfoss auf der Agritechnica 2025 (Foto: Danfoss)

Viele der von Danfoss hergestellten Standardprodukte sind als Plattformen konzipiert, um Skaleneffekte zu erzielen. Wenn eine Anwendung hinsichtlich Funktionalität, Steuerung usw. weiter angepasst werden muss, dient diese Plattform als Grundlage für jegliche zusätzliche Entwicklung.

Auch das hat sich laut Herrin im Laufe der Jahre verändert. Während die Danfoss-Plattformen teilweise regionsspezifisch waren, verfolgen die neuesten Entwicklungen aufgrund der Verbreitung bestimmter technischer Merkmale und der weltweiten Geschäftstätigkeit der Maschinenhersteller einen globalen Ansatz.

Auf die Frage, ob OEMs in verschiedenen Regionen mitziehen und neue Maschinen für diese Plattformen entwickeln, erklärte Herrin: „Unsere Kunden wünschen sich stets die optimale Lösung. Wenn sie unsere Plattformprodukte sofort einsetzen können, profitieren sie von einer schnelleren Markteinführung und einem günstigeren Preis, da wir über Skaleneffekte verfügen. Wir beobachten jedoch häufig, dass Wettbewerber in einer Region Produkte anbieten, die auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten sind. Daher ist es wichtig, dass unsere Plattformen lokal wettbewerbsfähig sind.“

Dieser Wettbewerb beunruhigt Herrin jedoch nicht: „Sind wir besorgt? Nein, ich würde sagen, wir können ihn auch nicht ignorieren. Wir müssen uns anpassen und manchmal lokale Marktanpassungen an der Plattform vornehmen, die dann in dieser Region mitunter zu einem Standardprodukt wird.“