Hocheffizient und klimafreundlich Energie sparen mit bürstenlosen DC-Motoren

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Oriental Motor Europa GmbH

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Elektromotoren sind für die Hälfte des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich. Die Industrie muss also in Zukunft deutlich effizientere Antriebe einsetzen. Bürstenlose DC-Motoren von Oriental Motor sind die ideale Lösung: Sie haben schon heute einen deutlich höheren Wirkungsgrad als vergleichbare Induktionsmotoren.

Um die CO₂-Neutralität der Wirtschaft zu erreichen, sind gewaltige Anstrengungen nötig. Es reicht nicht aus, die Kapazitäten an erneuerbaren Energieträgern massiv auszubauen. Auch der Stromverbrauch der Industrie muss sinken: Laut der Internationalen Energie-Agentur IEA werden mehr als 50 Prozent der global erzeugten Energie für den Betrieb von Elektromotoren genutzt (World Energy Outlook 2016). Hier liegt also ein enormes Einsparpotenzial, das Unternehmen durch die Wahl des richtigen Antriebs leicht heben können.

Bürstenlose DC-Motoren und Induktionsmotoren

Bei Elektromotoren unterscheidet man nach der Art der Magnetfeld-Erzeugung im Rotor zwei Typen: Synchron- und Asynchronantriebe, zu denen auch bürstenlose DC-Motoren und Induktionsmotoren zählen. Induktionsmotoren arbeiten weniger effizient als bürstenlose DC-Motoren – das hängt mit ihrem Aufbau zusammen. Die Antriebe bestehen aus einem Stator mit Wicklungen aus Kupferdraht, die von einem Gehäuse aus laminierten Elektroblechen umgeben sind, und einem Rotor. Wird eine Wechselspannung angelegt, erzeugt der dabei entstehende Strom beim Durchgang durch die Wicklungen des Stators ein rotierendes Magnetfeld, das durch einen Luftspalt auch den Rotor durchdringt. Der Rotor besitzt einen Kern aus laminierten Elektroblechen und ist in einen Käfigläufer aus Aluminium integriert. Durch das rotierende Magnetfeld gerät er in Bewegung.

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Mehr Verluste durch höhere elektrische Leistung

Der in den Rotor induzierte Strom verursacht allerdings auch sekundäre Kupferverluste, die grösstenteils durch den ohmschen Widerstand der Wicklung entstehen. Diese Verluste sind der Hauptgrund für die geringere Effizienz von Induktionsmotoren gegenüber bürstenlosen Antrieben. Hinzu kommt, dass sowohl im Stator als auch im Rotor ein magnetischer Fluss erzeugt werden muss. Die zum Drehen des Rotors erforderliche elek­trische Leistung ist deshalb bei einem Induktionsmotor höher als bei einem bürstenlosen Antrieb. Besonders bei niedrigen Drehzahlen und geringen Drehmomenten verschlechtert sich so der Wirkungsgrad der Induktionsmotoren gegenüber den bürstenlosen DC-Motoren.

Permanentmagnet macht den Unterschied

Bei bürstenlosen DC-Motoren sind an der Oberfläche des Rotors Permanentmagnete befestigt. Auch hier wird Strom durch die Statorwicklung geleitet, sodass ein rotierendes Magnetfeld entsteht, das den Rotor in Bewegung setzt. Es gibt allerdings einen grossen Unterschied zu Induktionsmotoren: In den Rotor von Synchronantrieben wird kein Strom induziert. Da bürstenlose DC-Motoren über einen Permanentmagneten verfügen, entstehen zudem keine sekundären Kupferverluste wie bei Induktionsmotoren. Und schliesslich genügt dank des Dauermagneten eine geringere elektrische Leistung zum Drehen des Rotors bzw. der Ausgangswelle als beim Induktionsmotor. Die erwähnten Eigenschaften sorgen dafür, dass die bürstenlosen DC-Motoren von Oriental Motor deutlich effizienter arbeiten als vergleichbare Induktionsmotoren.

Wirkungsgrad wurde nochmals verbessert

Der Wirkungsgrad der bürstenlosen DC-Motoren wird durch zwei zusätzliche konstruktive Massnahmen weiter gesteigert: So befindet sich der integrierte Schaltkreis mit den Hall-Effekt-Sensoren, der die Rotorposition erfasst, direkt gegenüber der Stirnseite des Rotors. Die Position der Rotorpole wird deshalb noch genauer erkannt als bei bürstenlosen DC-Motoren, bei denen die Sensoren an anderer Stelle montiert sind. Darüber hinaus haben die Ingenieure von Oriental Motor die in den Treiber integrierte Technologie zur Steuerung des Motorstroms optimiert. Auch die Verwendung verlustarmer Elektro­bleche, die Vergrösserung der Wicklungsfläche und die Verwendung dickerer elektrischer Drähte haben zu einer Erhöhung des ohnehin hohen Wirkungsgrades der bürstenlosen DC-Motoren beigetragen.

Messung mit verschiedenen Methoden

Die Effizienz eines Elektromotors lässt sich mit unterschiedlichen Methoden ermitteln. Eine Möglichkeit besteht darin, die Leistungsaufnahme der Antriebe bei gleicher Ausgangsleistung miteinander zu vergleichen. Dazu werden die Motoren mit einer konstanten Last betrieben, während man die Leistung misst, die dem Antrieb in jedem Betriebspunkt zugeführt wird. Vergleicht man hier Induktionsmotoren mit einer Nennausgangsleistung von 90 W mit bürstenlosen DC-Motoren, bei denen die Ausgangsleistung ebenfalls bei 90 W liegt, zeigt sich: Der Stromverbrauch des bürstenlosen Antriebs ist geringer.

Wird der Motor dagegen mit einem drehzahlvariablen Antrieb betrieben, muss der Wirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich hinweg verglichen werden. Der Grund liegt darin, dass sich der Wirkungsgrad bei diesen Motoren je nach Lastfaktor und Drehzahl ändert. Stellt man Induktionsmotoren und bürstenlose DC-Motoren mit drehzahlvariablem Antrieb einander gegenüber, dann sieht man, dass der bürstenlose DC-Motor über einen grösseren Bereich hinweg effizienter arbeitet als der Induktionsmotor.

Drehzahländerungen beeinflussen Effizienz kaum

An konkreten Anwendungen lässt sich die unterschiedliche Effizienz von bürstenlosen DC-Motoren und Induktionsmotoren am besten verdeutlichen – z. B. anhand eines Förderbandes. Treiben ein bürstenloser DC-Motor und ein Induktionsmotor es mit konstanter Drehzahl an, so verbraucht der bürstenlose Antrieb dafür über ein Jahr hinweg betrachtet 37 Prozent weniger Strom als der Induktionsmotor.

Der Effekt ist bei einem Betrieb mit Drehzahländerungen sogar noch grösser: Transportiert das Förderband eine Last mit 100 Umdrehungen pro Minute und wird zur Inspektion auf 30 Umdrehungen pro Minute abgebremst, sind sowohl der Stromverbrauch als auch die CO₂-Emissionen des bürstenlosen DC-Motors im Jahr 69 Prozent niedriger als die des Induktionsmotors. Das hängt damit zusammen, dass der Wirkungsgrad des bürstenlosen Antriebs durch die Änderung der Drehzahl nur leicht reduziert wird, der des Induktionsmotors jedoch sehr stark. Bürstenlose Antriebe arbeiten also auch in Anwendungen mit variierender Drehzahl effizienter als Induktionsmotoren. Ein ähnliches Bild ergibt sich beim Einsatz bürstenloser DC-Motoren als Antriebe für Lüfter: Ihr Stromverbrauch ist hier ebenfalls erheblich niedriger als der eines Asynchronantriebs. Sie haben in dieser Anwendung zudem noch einen anderen grossen Vorteil gegenüber Induktionsmotoren: Da sich ihre Drehzahl über PWM-Signale oder externe analoge Einstellungen anpassen lässt, können auch die Geräuschemissionen der Ventilatoren reduziert werden.

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Kompakte Bauweise senkt Emissionen beim Transport

Oriental Motor bietet Anwendern vier verschiedene Serien bürstenloser DC-Motoren für Gleich- und Wechselstrombetrieb mit Nennausgangsleistungen zwischen 15 W und 400 W. Die Antriebe zeichnen sich nicht nur durch einen hohen Wirkungsgrad aus, sondern sind auch sehr kompakt gebaut. Während ein Induktionsmotor mit Getriebe etwa 200 mm lang ist, sind es beim bürstenlosen Antrieb nur 95,4 mm. Und statt 4,7 kg wie ein Asynchronmotor wiegt ein bürstenloser DC-Motor von Oriental Motor einschliesslich Treiber lediglich 3,1 kg. Dank der geringen Abmessungen sind also auch die durch den Transport entstehenden CO₂-Emissionen bei den bürstenlosen Antrieben geringer als bei Induktionsmotoren.

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