Wenn die Bohnen die Mahlscheiben erreichen: So haben wir das Antriebssystem der BOOKOO Motto 80 entwickelt

Als wir mit der Entwicklung des Antriebssystems der Motto 80 begannen, stand nicht zuerst der Motor selbst im Mittelpunkt.

Wäre das einzige Ziel gewesen, ein Blockieren nahezu unmöglich zu machen, wäre die Lösung vergleichsweise einfach: ein größerer Motor mit höherer Dauerleistung und großzügiger Drehmomentreserve.

Die Motto 80 ist jedoch eine Kaffeemühle für den Heimgebrauch. Neben den 80-mm-Flachmahlscheiben müssen im Gehäuse auch der Einstellmechanismus, das Bohnenzuführsystem, die Sensoren, die Antriebselektronik und die übrigen mechanischen Komponenten Platz finden. Würde die gesamte Maschine für einige wenige extreme Lastspitzen ausgelegt, wäre sie erheblich größer und komplexer als erforderlich.

Unser Ziel war außerdem nicht, die Mühle so schnell wie technisch möglich arbeiten zu lassen.

Während der Entwicklung legten wir für eine typische Einzeldosis bei feiner Espresso-Mahleinstellung einen Auslegungsbereich von etwa 10 bis 12 Sekunden zugrunde. Dabei handelt es sich nicht um eine garantierte Leistungsangabe. Eine verbindliche Spezifikation der Mahldauer müsste Einwaage, Kaffee, Mahlscheibensatz, Drehzahl, Mahlgrad und Bohnenzufuhreinstellung genau festlegen. Der Zeitraum von 10 bis 12 Sekunden diente uns stattdessen als praxisnahes technisches Entwicklungsziel: schnell genug für den täglichen Gebrauch, ohne Bohnenzuführsystem, Motorgröße, Stromaufnahme, Geräuschentwicklung oder thermische Belastung unnötig an ihre Grenzen zu treiben.

Daraus ergab sich eine wesentlich hilfreichere Frage:

Wie entwickelt sich die Belastung tatsächlich, sobald die Bohnen die Mahlscheiben erreichen?

Genauer gesagt: Welche Belastung muss der Motor dauerhaft bewältigen, welche nur kurzzeitig – und wie entscheidet das Steuerungssystem zwischen diesen beiden Fällen?

Eine Kaffeemühle kann blockieren, obwohl noch ausreichend Drehmoment verfügbar ist

Es liegt nahe, eine Blockierung als einfachen Vorgang zu beschreiben: Eine besonders harte Kaffeebohne gelangt zwischen die Mahlscheiben, der Motor kann nicht genügend Drehmoment erzeugen und die Mühle bleibt stehen.

Das kann durchaus vorkommen, erklärt jedoch nur einen kleinen Teil dessen, was tatsächlich in einer Mühle mit Flachmahlscheiben geschieht.

Der Kaffee durchläuft zwischen den Mahlscheiben mehrere Phasen: Einzug, erstes Aufbrechen, weiteres Mahlen und Austrag. Vereinfacht lässt sich dieser Prozess durch zwei Massenströme darstellen.

Dabei bezeichnet ṁin die Kaffeemenge, die pro Zeiteinheit zwischen die Mahlscheiben gelangt. ṁout bezeichnet die Kaffeemenge, die ausreichend vermahlen wurde und pro Zeiteinheit aus dem Mahlwerk austritt.

Die Kaffeemenge, die sich zwischen den Mahlscheiben ansammelt, lässt sich somit wie folgt ausdrücken:

dM/dt = ṁin − ṁout

Dabei handelt es sich nicht um ein vollständiges physikalisches Modell einer Kaffeemühle, sondern lediglich um eine anschauliche Möglichkeit, den Aufbau der Belastung zu verstehen.

Solange ṁin und ṁout annähernd gleich groß bleiben, bleibt auch die Kaffeemenge zwischen den Mahlscheiben relativ konstant. Ist ṁin jedoch dauerhaft größer als ṁout, beginnt sich Kaffee im Mahlwerk anzusammeln.

Dadurch müssen gleichzeitig größere Kaffeemengen aufgebrochen, verdichtet und durch die Mahlscheiben transportiert werden. Das zum Aufrechterhalten der Bewegung erforderliche Drehmoment steigt entsprechend an.

Dieser Zusammenhang ist bei niedrigeren Drehzahlen besonders wichtig.

Eine Verringerung der Drehzahl führt nicht lediglich dazu, dass derselbe Mahlvorgang langsamer abläuft. Da pro Sekunde weniger Mahlzähne die Mahlzone durchlaufen, nimmt bei ansonsten vergleichbaren Bedingungen in der Regel auch die Verarbeitungs- und Austragskapazität der Mahlscheiben ab. Die Geschwindigkeit, mit der Kaffee zwischen die Mahlscheiben gelangt, sinkt jedoch nicht zwangsläufig im gleichen Verhältnis.

Diese Zufuhrrate wird unter anderem durch die Geometrie des Zuführsystems, die Bohnengröße, die Schwerkraft, die Geometrie des Vorbrechers der Mahlscheiben und die dem Einlass zugeführte Kaffeemenge beeinflusst.

Dadurch kann eine Situation entstehen, in der der Einzugsbereich der Mahlscheiben weiterhin Kaffee aufnimmt, während der restliche Mahlweg diesen nicht mehr mit derselben Geschwindigkeit verarbeiten und austragen kann.

Sobald dies geschieht, kann sich eine positive Rückkopplung entwickeln:

Zufuhrrate übersteigt die Verarbeitungskapazität → Kaffee sammelt sich an → Drehmomentbelastung steigt → tatsächliche Drehzahl sinkt → Verarbeitungskapazität nimmt weiter ab → noch mehr Kaffee sammelt sich an

Wird dieser Kreislauf nicht unterbrochen, kann die Mühle schließlich blockieren.

Deshalb bedeutet ein kurzzeitig hoher Drehmomentmesswert nicht zwangsläufig, dass eine einzelne ungewöhnlich harte Bohne die Blockierung verursacht hat. Die Belastung kann stattdessen von Kaffee stammen, der sich bereits zwischen den Mahlscheiben befand, als weitere Bohnen nachgeführt wurden.

Eine treffendere Beschreibung der Belastung lautet daher:

Tload = f(Kaffeemenge, Mahlscheibengeometrie, Mahlspalt, Drehzahl, Bohnenzufuhrrate, angesammelte Materialmenge)

Ein einzelner Wert für das maximale Blockierdrehmoment kann dieses dynamische System nicht vollständig beschreiben.

Die Bohnenzufuhrrate ist Teil des Antriebssystems

Betrachtet man die Kaffeemühle auf diese Weise, ist die Bohnenzufuhrrate nicht länger nur eine separate Komfortfunktion, sondern ein wesentlicher Bestandteil des Antriebssystems.

Eine einfache Möglichkeit, einen Drehzahlabfall zu reduzieren, besteht darin, die Bohnen sehr langsam zuzuführen. Solange ṁin deutlich unter der Verarbeitungskapazität der Mahlscheiben bleibt, wird der Motor einer geringeren und gleichmäßigeren Belastung ausgesetzt.

Der Nachteil liegt auf der Hand: Das Mahlen der Einwaage dauert länger als erforderlich.

Am anderen Ende des Spektrums könnten die Bohnen so schnell wie möglich zwischen die Mahlscheiben befördert werden. Dadurch verkürzt sich möglicherweise die Mahldauer, gleichzeitig steigen jedoch das durchschnittliche Drehmoment, die Spitzenstromaufnahme und die kurzfristige Wärmeentwicklung. Zudem verringert sich die Sicherheitsreserve bis zu einer möglichen Blockierung.

Der sinnvolle Betriebspunkt liegt zwischen diesen beiden Extremen.

Bei der Motto 80 besteht das Ziel darin, die Bohnenzufuhrrate möglichst nahe an der dauerhaft verfügbaren Verarbeitungskapazität der Mahlscheiben zu halten und gleichzeitig genügend mechanische und elektrische Reserven für die während des Mahlvorgangs natürlich auftretenden Belastungsschwankungen bereitzustellen.

An dieser Stelle erweist sich der Auslegungsbereich von 10 bis 12 Sekunden als besonders hilfreich. Er bot uns ein praxisnahes Entwicklungsziel, anhand dessen wir Bohnenzufuhrrate, Motorbelastung, Geräuschentwicklung, thermisches Verhalten und die Wartezeit im täglichen Gebrauch aufeinander abstimmen konnten.

Das Ziel bestand somit weder darin, die Bohnen besonders langsam zuzuführen, nur um den Motor zu entlasten, noch darin, den Durchsatz um jeden Preis zu maximieren.

Stattdessen sollte eine Bohnenzufuhrrate gefunden werden, welche die Mahlscheiben effizient nutzt und dem System gleichzeitig genügend Reserven lässt, um die beim realen Mahlbetrieb auftretenden Belastungsschwankungen zu bewältigen.

Diese Unterscheidung führt zu einem weiteren wichtigen Aspekt der Konstruktion: Der Motor muss nicht jede Aufgabe dauerhaft mit derselben Leistung bewältigen.

Dauerlast und Spitzenlast erfüllen unterschiedliche Aufgaben

Ein einzelner Mahlzyklus umfasst zwei unterschiedliche Arten von Belastung.

Der überwiegende Teil des Mahlzyklus wird von der Dauerlast bestimmt. Sie beeinflusst die durchschnittliche Stromaufnahme, die Motorverluste, den Temperaturanstieg und das Verhalten der Mühle bei mehreren unmittelbar aufeinanderfolgenden Einwaagen.

Die Spitzenlast ist davon zu unterscheiden.

Eine kurzzeitige Belastungsspitze kann auftreten, wenn mehrere Bohnen gleichzeitig in die Einzugszone gelangen. Dichte, hell geröstete Bohnen, ein feiner Mahlgrad, eine niedrige Drehzahl oder eine vorübergehende Ansammlung von Kaffee zwischen den Mahlscheiben können den Drehmomentbedarf kurzzeitig erhöhen.

Der Motor benötigt ausreichende Reserven, um solche Belastungsspitzen zu bewältigen. Er muss sein maximales Drehmoment jedoch nicht dauerhaft bereitstellen.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da Leistung und Drehmoment keine austauschbaren technischen Kennwerte sind.

Die mechanische Leistung an der Motorwelle berechnet sich wie folgt:

Pmech = Tω

Die elektrische Eingangsleistung entspricht nicht der an der Motorwelle abgegebenen mechanischen Leistung. Ebenso ist die maximale mechanische Leistung nicht mit dem maximalen Drehmoment gleichzusetzen.

Kurz vor einer Blockierung kann das Drehmoment beispielsweise sehr hoch sein, während sich die Drehzahl dem Wert null nähert. Dadurch kann die mechanische Leistung sinken, obwohl Stromaufnahme und elektrische Verluste weiter ansteigen.

Die bei unserer Bewertung verwendeten Motordaten des Modells 6068 verdeutlichen diesen Zusammenhang:

Beim Wechsel vom ersten zum zweiten Betriebspunkt steigt die Eingangsleistung um etwa 870 W, während sich die Wellenleistung lediglich um rund 320 W erhöht. Ein großer Teil der zusätzlich aufgenommenen Leistung wird in Wärme und andere Verluste umgewandelt.                                                                                           

Aus diesem Grund sollten 1.053 W nicht als Dauerleistung des Motors angegeben werden. Dieser Wert beschreibt einen Hochlast-Testbetriebspunkt und keine Leistung, für die ein dauerhafter Betrieb vorgesehen ist.

Eine Einzeldosis-Kaffeemühle für den Heimgebrauch verhält sich unter Belastung deutlich anders als eine dauerhaft betriebene Industriemaschine. Ein typischer Mahlvorgang dauert nur wenige Sekunden, und die höchsten Belastungsspitzen können noch wesentlich kürzer sein. Aufgrund der thermischen Masse des Motors führt ein kurzzeitiger Anstieg der Stromaufnahme nicht sofort zu derselben Beharrungstemperatur, die bei einer dauerhaft anliegenden Belastung entstehen würde.

Diesen Unterschied können wir gezielt nutzen.

Wenn die Mahlscheiben kurzzeitig auf einen erhöhten Widerstand treffen, kann die Motto 80 den effizientesten Betriebsbereich des Motors vorübergehend verlassen. Dabei werden eine höhere Stromaufnahme und eine stärkere Wärmeentwicklung zugelassen, um zusätzliches Drehmoment bereitzustellen und die Drehzahl wiederherzustellen. So lässt sich ein für den Heimgebrauch praktischer Formfaktor beibehalten, ohne einen Motor verbauen zu müssen, der für eine dauerhafte Bereitstellung seines maximalen Drehmoments ausgelegt ist.

Dabei gilt jedoch eine wichtige Grenze:

Die Spitzenleistung darf nur kurzzeitig genutzt werden.

Wenn ein gewöhnlicher Espresso-Mahlvorgang überwiegend nahe an der Stromgrenze abläuft oder mehrere aufeinanderfolgende Einwaagen zu einer deutlichen thermischen Leistungsreduzierung führen, sind Motor, Mahlscheibensatz und Bohnenzuführstrategie nicht optimal aufeinander abgestimmt.

Die Spitzenleistungsreserve dient dazu, kurzzeitige Belastungsspitzen zu überwinden. Sie darf nicht dazu verwendet werden, den Betrieb unter Spitzenlast zum normalen Betriebszustand zu machen.

Eine Drehmomentreserve ist nur dann nützlich, wenn sie kontrolliert werden kann

Ausreichendes Drehmoment zur Verfügung zu haben, löst nur die Hälfte des Problems. Das Steuerungssystem muss dieses Drehmoment auch zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Höhe bereitstellen.

Hier kommt die feldorientierte Regelung (FOC) ins Spiel.

Die Motto 80 nutzt FOC, um den für das Motordrehmoment verantwortlichen Strom direkt und kontinuierlich zu regeln. Vereinfacht dargestellt überführt FOC die dreiphasigen Motorströme in ein rotierendes d-q-Bezugssystem. Dadurch lassen sich die Stromkomponenten für Magnetfluss und Drehmoment unabhängig voneinander steuern.

In einem häufig verwendeten vereinfachten PMSM-Modell ist das elektromagnetische Drehmoment innerhalb des relevanten Betriebsbereichs annähernd proportional zum q-Achsenstrom iq.

Die praktische Bedeutung ist dabei wichtiger als die mathematische Herleitung.

Stellt der Drehzahlregelkreis fest, dass die tatsächliche Drehzahl unter den Sollwert gefallen ist, kann er zusätzliches Drehmoment anfordern. Der FOC-Stromregelkreis setzt diese Anforderung anschließend in einen gezielt geregelten Motorstrom um.

Ein einfaches Beispiel:

Angenommen, die Solldrehzahl beträgt 600 U/min. Sobald Kaffee zwischen die Mahlscheiben gelangt, fällt die tatsächliche Drehzahl kurzzeitig auf 570 U/min. Der Regler erkennt diese Abweichung und erhöht iq, wodurch das Motordrehmoment ansteigt.

Ist die Störung nur von kurzer Dauer, kann die Drehzahl schnell wieder auf den Sollwert zurückkehren.

Sammelt sich jedoch weiterhin Kaffee an, während die Stromaufnahme weiter steigt und sich die Drehzahl nicht erholt, handelt es sich nicht mehr um eine gewöhnliche Belastungsschwankung. Das System nähert sich dann einem instabilen Betriebszustand.

Aus diesem Grund bewerten wir die Drehzahlregelung nicht ausschließlich anhand der niedrigsten Drehzahl, die während einer Belastungsspitze erreicht wird.

Stattdessen betrachten wir mehrere Signale gemeinsam:

• Drehzahleinbruch
• Spitzenstrom
• Dauer
• Erholungszeit

Ein Abfall von 600 U/min auf 500 U/min, bei dem sich die Drehzahl innerhalb von 100 ms wieder erholt, unterscheidet sich grundlegend von einem gleich starken Einbruch, der drei Sekunden anhält, während der Strom bereits seine zulässige Grenze erreicht hat.

Das Zusammenspiel dieser Signale liefert wesentlich mehr Informationen über das Antriebssystem als ein einzelner Spitzenleistungswert.

Dasselbe Prinzip gilt für den Blockierschutz.

Ein hohes Spitzendrehmoment ist ohne eine entsprechende Abschaltregel nicht sinnvoll. Nähert sich die Drehzahl bei einer tatsächlichen Blockierung dem Wert null, führt eine weitere Erhöhung des Stroms nicht mehr zu einer entsprechenden Steigerung der nutzbaren mechanischen Leistung. Die elektrischen Verluste steigen jedoch weiterhin an.

Die Steuerung muss daher die Drehzahlabweichung, die Stromstärke, die Dauer des Hochstromzustands, die Erholung der Drehzahl sowie den thermischen Zustand von Motor und Antriebselektronik berücksichtigen.

Ist die Belastung überwindbar, kann das System das Drehmoment erhöhen und der Mühle ermöglichen, wieder die Solldrehzahl zu erreichen.

Bleiben eine niedrige Drehzahl und eine hohe Stromaufnahme hingegen ohne erkennbare Erholungstendenz bestehen, ist eine weitere Erhöhung des Drehmoments nicht mehr sinnvoll. In diesem Fall muss das System die Drehmomenterhöhung beenden und den Schutzmodus aktivieren.

Mahlscheiben, Zuführsystem und Motor müssen gemeinsam abgestimmt werden

An diesem Punkt wird deutlich, warum das gesamte Antriebssystem als zusammenhängende Einheit betrachtet werden muss.

Der Motor kann nicht unabhängig vom Bohnenzuführsystem abgestimmt werden, und beide lassen sich nicht getrennt von der Geometrie der Mahlscheiben betrachten.

Für einen bestimmten Mahlscheibensatz, Mahlspalt, eine festgelegte Drehzahl, einen bestimmten Kaffee und eine angestrebte Mahldauer ergibt sich jeweils ein sinnvoller Bereich für die Bohnenzufuhrrate.

Jeder Bestandteil des Systems erfüllt dabei eine eigene Aufgabe.

Die Mahlscheibengeometrie

Sie bestimmt, wie der Kaffee zwischen die Mahlscheiben gelangt, aufgebrochen, weiter vermahlen und schließlich ausgetragen wird.

Das Bohnenzuführsystem

Es bestimmt, wie viel Kaffee pro Zeiteinheit die Mahlscheiben erreicht.

Motor und FOC-System

Sie bestimmen, wie das erforderliche Drehmoment bei wechselnder Belastung bereitgestellt und geregelt wird.

Gemeinsam beeinflussen diese Komponenten die Mahldauer, die Stabilität der Drehzahl, das Spitzendrehmoment, die thermische Belastung und die verfügbare Sicherheitsreserve bis zu einer möglichen Blockierung.

Aus diesem Grund wurde die Motto 80 nicht entwickelt, indem eine dieser Variablen isoliert maximiert wurde.

Der Motor muss die normale Mahlbelastung zuverlässig bewältigen und gleichzeitig höhere Leistungsreserven für kurzzeitige Belastungsspitzen bereithalten. Das Bohnenzuführsystem muss nahe an der dauerhaft verfügbaren Verarbeitungskapazität der Mahlscheiben arbeiten, ohne fortlaufend Materialansammlungen zu verursachen. Das FOC-System muss bei überwindbaren Belastungsschwankungen die Drehzahl wiederherstellen und zugleich erkennen, wann sich das System nicht mehr erholen kann und der Schutzmodus aktiviert werden muss.

Diese Eigenschaften sind keine voneinander unabhängigen Spezifikationen, sondern Bestandteile desselben Betriebssystems.

Was definiert ein Antriebssystem tatsächlich?

Damit kehren wir zu unserer ursprünglichen Frage zurück.

Es ist leicht zu fragen, wie viele Watt ein Motor leistet. Ebenso einfach lassen sich maximales Drehmoment, maximale Drehzahl oder eine angegebene Mahldauer miteinander vergleichen.

Jeder dieser Werte liefert bestimmte Informationen. Für sich allein beschreibt jedoch keiner davon, wie sich eine Kaffeemühle verhält, sobald die Bohnen tatsächlich zwischen die Mahlscheiben gelangen.

Entscheidend ist eine genauere Betrachtung:

Während des normalen Mahlvorgangs müssen Bohnenzufuhrrate, Verarbeitungskapazität der Mahlscheiben und Motorleistung im Gleichgewicht bleiben. Wird dieses Gleichgewicht durch eine kurze Belastungsspitze vorübergehend gestört, benötigt das System genügend Drehmoment- und Regelreserven, um sich wieder zu stabilisieren, ohne den Spitzenlastbetrieb zum neuen Normalzustand zu machen.

Deshalb ist die Motorleistung in Watt allein nicht der aussagekräftigste Wert zur Beschreibung des Antriebssystems der Motto 80.

Die entscheidendere Frage lautet, was unter realer Belastung geschieht: Bleiben Drehzahl, Stromaufnahme, Mahldauer und Temperatur innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs, nachdem die Bohnen die Mahlscheiben erreicht haben?

Genau das prüfen wir letztlich.                                                                   

Das Antriebssystem sollte anhand synchronisierter Messdaten realer Mahlvorgänge unter kontrollierten Bedingungen bewertet werden. Auf diese Weise lassen sich Motorverhalten, Drehzahl, Stromaufnahme, Bohnenzufuhrrate und Temperatur gleichzeitig beobachten.                   

Eine Kaffeemühle wird nicht durch einen einzelnen Wert auf dem Motordatenblatt definiert. Entscheidend ist das Verhalten des gesamten Systems, sobald die Bohnen die Mahlscheiben erreichen.