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01 Stärken und Schwächen der drei Motortypen Drehstrom- Asynchronmotoren, Reluktanzmotoren und Permanentmagnetmotoren auf einen Blick

Energieeffiziente Motortechnologien im Vergleich

02 Bereits 2012 führte WEG mit W22 Super Premium eine komplette Baureihe von IE4-Asynchronmotoren am europäischen Markt ein

03 2014 brachte WEG einen Permanentmagnetmotor der Baureihe W22 auf den Markt, der noch rund 20 % weniger Verluste aufweist als die IE4-Asynchronmotorenreihe und damit als einer der ersten am Markt die Kriterien einer diskutierten Energieeffizienzklasse IE5 erfüllt

04 Vergleich des Wirkungsgrads eines IE4-Asynchronmotors (AS), eines IE4-Synchronreluktanzmotors (SyncRel) sowie eines IE4- und eines IE5-Permanentmagnetmotors (PM) für drei verschiedene Ausgangsleistungen bei 50 Hz und 1500 min –1

Motoren spielen bei der Erhöhung der Energieeffizienz von Fluidsystemen – einschließlich Pumpen, Kompressoren und Gebläsen – eine zentrale Rolle. Asynchronmotoren sind hier weiterhin die am meisten eingesetzte Antriebstechnologie, aber der Anteil an Permanentmagnetmotoren und geschalteten/synchronen Reluktanzmotoren steigt. Wer die Vor- und Nachteile der drei Motortechnologien kennt, kann den passenden für seine Anwendung leichter auswählen.

Energieeffizienz ist heute so wichtig wie nie zuvor und steht auf der Prioritätenliste der Industrie ganz oben. Mit der Einführung der Ökodesign-Richtlinie 2005/32/EC wurde bereits ein großer Schritt in Richtung einer Senkung des CO 2 -Ausstoßes in Europa getan. Vor dem Hintergrund des Inkrafttretens der verschärften Effizienzrichtlinien für Standard-Asynchronmotoren im Januar 2015 prüfen Entwickler aktuell verschiedene Technologien, die es ihnen ermöglichen sollen, die Wirkungsgrade von Elektromotoren noch weiter zu erhöhen. Aufgrund der EU-Motorenrichtlinie müssen neu auf den Markt gebrachte Asynchronmotoren seit Juni 2011 mindestens die Effizienzklasse IE2 aufweisen. Ab dem 1. Januar 2015 müssen Motoren mit einer Nennleistung von 7,5 kW bis 375 kW mindestens die Effizienzklasse IE3 erreichen, oder aber die Klasse IE2 erfüllen und mit einem Frequenzumrichter geregelt sein.

Asynchrontechnologie: kostengünstig, robust und zuverlässig
Die Auswahl an Motortechnologien auf dem Markt ist groß, angefangen von kostengünstigen Varianten bis hin zu solchen mit höchsten Wirkungsgraden oder besonders geringen Abmessungen (Bild 1). Trotz der Vielzahl an Motortechnologien sind Drehstrom-Asynchronmotoren immer noch der in der Industrie am weitesten verbreitete Motorentyp, speziell bei Anwendungen, bei denen keine variablen Drehzahlen erforderlich sind. Ein Grund für die Beliebtheit der Asynchronmotoren sind deren Robustheit, Zuverlässigkeit und Anwenderfreundlichkeit. Die Standardmotoren können direkt an das Stromnetz angeschlossen werden und benötigen keine Leistungselektronik. IE4-Asynchronmotoren wie die Super Premium Motoren der Baureihe W22 (Bild 2) von WEG bieten hohe Effizienz für Anwendungen mit fester Drehzahl. Verglichen mit IE3-Motoren erreichen sie eine Senkung der Energieverluste um 10 % bis 24 %. Werden Asynchronmotoren jedoch durch Frequenzumrichter gespeist, führt dies zu einer signifikanten Senkung ihrer Effizienz, selbst bei Anwendungen mit konstantem Moment. In solchen Fällen können unter Umständen eine Überdimensionierung oder eine Fremdbelüftung erforderlich werden.

Permanentmagnetmotoren: effizient und kompakt
Fortschritte auf dem Gebiet der Leistungselektronik und der Steuerung haben dazu geführt, dass in Fluid-Systemen immer häufiger Frequenzumrichter zum Einsatz kommen, um deren Energieeffizienz zu verbessern. Bei Anwendungen mit variabler Drehzahl lässt sich mit Permanentmagnetmotoren und Synchron-Reluktanzmotoren im Vergleich zu Asynchronmotoren gleicher Baugröße die Energieeffizienzklasse IE4 oder höher erreichen. Insbesondere IE4-Permanentmagnetmotoren können bei gleicher Leistung bis zu zwei Baugrößen kleiner ausfallen als Asynchron- und Reluktanzmotoren. Permanentmagnetmotoren der Klasse IE5 können im Vergleich zu Asynchronmotoren bei gleicher Baugröße leichter sein, da sie weniger aktives Material enthalten (Bild 3). Permanentmagnetmotoren können zu gesteigerter Prozesseffizienz beitragen, da sie bei niedrigen Drehzahlen einen höheren Wirkungsgrad als Asynchronmotoren aufweisen. Des Weiteren bietet diese Technologie ein hohes Strom- Drehmoment- und Drehmoment-Volumen-Verhältnis sowie eine kompaktere Bauweise und bessere Dynamik. Außerdem haben Permanentmagnetmotoren einen hohen Leistungsfaktor aufgrund des Fehlens von Joule-Verlusten im Rotor und des Erregerflusses der Permanentmagnete. Alle diese Vorteile haben dazu geführt, dass in einer Reihe von Anwendungen immer häufiger Permanentmagnetmotoren zum Einsatz kommen – von Haushaltsgeräten (Waschmaschinen) bis hin zu industriellen Antrieben (Kompressoren, Pumpen und Gebläse), Servoantrieben und Elektrofahrzeugen. Der Hauptnachteil: Bei Permanentmagnetmotoren fallen die Investitionskosten höher aus, da sie mit Magneten aus seltenen Erden ausgestattet sind.

Reluktanzmotoren: für breite Drehzahlbereiche und hohe Drehzahlen
Anders als Asynchron- und Permanentmagnetmotoren verfügen geschaltete Reluktanzmotoren über konzentrierte Wicklungen im Stator und geschichtete Stahlbleche mit ausgeprägten Zähnen im Rotor. Ein eindeutiger Vorteil dieser Konstruktion ist, dass – ähnlich wie bei Permanentmagnetmotoren – keine Joule-Verluste im Rotor auftreten. Genau wie Asynchronmotoren bieten auch geschaltete Reluktanzmotoren eine mechanisch einfache Bauweise, Robustheit und Zuverlässigkeit. Andererseits benötigen sie eine komplexere elektronische Steuerung als Asynchronmotoren. Dank dieser Eigenschaften sind geschaltete Reluktanzmotoren für eine große Bandbreite an Anwendungen geeignet, angefangen von Haushaltsgeräten und industriellen Antrieben bis hin zu Elektrofahrzeugen. Geschaltete Reluktanzmotoren eignen sich auch hervorragend für Anwendungen mit breiten Drehzahlbereichen oder hohen Drehzahlen wie Kompressoren und Werkzeugmaschinen. Für solche Anwendungen können diese Motoren eine höhere Effizienz und Leistungsdichte bieten als Asynchronmotoren gleicher Leistung. Andererseits kann die nicht zu vernachlässigende Drehmomentwelligkeit zu starken Schwingungen sowie zu signifikanter Geräuschentwicklung führen. Im Unterschied zu geschalteten Reluktanzmotoren lassen sich Synchron-Reluktanzmotoren relativ einfach so konzipieren, dass Drehmomentwelligkeit und Geräuschpegel reduziert werden und ein Sinuswellen-AC-Betrieb (Drehfeld) möglich wird.

Diese Motoren haben einen konventionellen Mehrphasen-AC-Stator und einen Rotor mit Flusssperren. Dank dieser Eigenschaften lassen sich elektronisch gesteuerte synchrone Reluktanzmotoren in einer Vielzahl industrieller und gewerblicher Anwendungen einsetzen, bei denen eine variable Drehzahl gefordert ist. Ähnlich wie geschaltete Reluktanzmotoren eignen sie sich hervorragend für einen breiten Drehzahlbereich. Der Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten und die Motorleistung werden jedoch in hohem Maße von der Geometrie der Flusssperren im Rotorblech beeinflusst. Was diese Motoren so interessant macht ist, dass die Kosten des aktiven Materials mit denen von Asynchronmotoren vergleichbar und damit niedriger als die von Hochleistungs-Permanentmagnetmotoren sind. Darüber hinaus bieten Synchron-Reluktanzmotoren Vorzüge wie einfache Rotorabschrägung, Möglichkeit der Feldschwächung (wichtig für die Erreichung hoher Drehzahlbereiche) und hohe Überlastfähigkeit. Synchrone Reluktanzmotoren können ähnliche Energieeffizienzwerte erreichen wie Asynchronmotoren, jedoch ist der Leistungsfaktor relativ niedrig, da der Strom ca. 40 % höher als bei einem vergleichbaren Asynchronmotor ist (Bild 4).

Asynchrontechnologie bleibt marktführend
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Frage, welche Technologie am besten zur Steigerung der Effizienz in einer Fluid-Anwendung geeignet ist, von einer Reihe von Faktoren abhängt. Dazu gehören zum Beispiel Kosten, Größe und Gewicht, Zuverlässigkeit, Drehzahlbereich, Geräusch- und Schwingungsaufkommen, Wartungsfreundlichkeit sowie allgemeine Leistungsdaten. Was den Wirkungsgrad angeht, haben Permanentmagnetmotoren die höchste Leistungsfähigkeit, da bei ihnen keine Verluste im Rotor auftreten und sie deshalb in Anwendungen mit niedrigen Frequenzen und konstantem Drehmoment die beste Effizienz aufweisen. Synchrone Reluktanzmotoren können ebenfalls die Effizienzklasse IE4 erreichen, jedoch bei einem höheren Strom und niedrigeren Leistungsfaktor als Asynchronmotoren, was Größe und Kosten des Antriebs beeinflussen kann. Auch Asynchronmotoren sind bei optimaler Konstruktion und Fertigung in der Lage den Wirkungsgrad IE4 zu erreichen, was die Baureihe W22 Super Premium belegt. Damit können Entwickler schon heute die Energieeffizienz ihrer Antriebssysteme so erhöhen, dass geltende gesetzliche Vorschriften eingehalten und sogar übertroffen werden. (no)

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Autor:
Detlef Wortmann ist Manager Low Voltage Motors bei WEG in Kerpen. detlef.wortmann@weg.net