antriebstechnik 11/2024

ELEKTROMOTOREN

ELEKTROMOTOREN BÜRSTENLOSE DC-MOTOREN RICHTIGER ANTRIEB HILFT RICHTIG ENERGIE SPAREN Elektromotoren sind für die Hälfte des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich. Die Industrie muss also in Zukunft deutlich effizientere Antriebe einsetzen, damit die Klimaziele der Vereinten Nationen eingehalten werden können. Im Technologievergleich zeigt sich: bürstenlose DC-Motoren eines bekannten japanischen Herstellers sind da eine gute Wahl. Schon heute haben sie einen deutlich höheren Wirkungsgrad als vergleichbare Induktionsmotoren. Um die CO 2 -Neutralität der Wirtschaft zu erreichen, sind große Anstrengungen nötig. Es reicht nicht aus, die Kapazitäten an erneuerbaren Energien massiv auszubauen. Auch der Stromverbrauch der Industrie muss sinken: Laut der Internationalen Energie-Agentur IEA werden mehr als 50 Prozent der global erzeugten elektrischen 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. Timo Krüssel, Marketing Communications, Oriental Motor (Europa) GmbH, Düsseldorf BÜRSTENLOSE DC-MOTOREN UND INDUKTIONSMOTOREN IM VERGLEICH Bei Elektromotoren unterscheidet man nach der Art der Magnetfeld-Erzeugung im Rotor zwischen zwei Typen: Synchron- und Asynchronantriebe, zu denen auch bürstenlose DC-Motoren und Induktionsmotoren zählen. Induktionsmotoren arbeiten weniger effizient als bürstenlose DC-Motoren, was mit ihrem Aufbau zusammenhängt. 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 01 02 01 Dank ihrer hohen Effizienz verbrauchen die bürstenlosen DC-Motoren deutlich weniger Energie als Induktionsmotoren 02 Der Wirkungsgrad von Induktionsmotoren sinkt bei Drehzahländerungen stärker im Vergleich zu bürstenlosen Antrieben 03 Bürstenlose Antriebe arbeiten über einen breiten Drehzahlbereich hinweg effizienter als Induktionsmotoren 24 antriebstechnik 2024/11 www.antriebstechnik.de

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. 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 dadurch der Wirkungsgrad der Induktionsmotoren im Vergleich zu bürstenlosen DC-Motoren. BEWEGUNG! 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, welches 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. Dank des Dauermagneten genügt eine geringere elektrische Leistung zum Drehen des Rotors oder der Ausgangswelle als beim Induktionsmotor. Die erwähnten Eigenschaften sorgen dafür, dass die bürstenlosen DC-Motoren von Oriental Motor deutlich effizienter arbeiten als vergleichbare Induktionsmotoren. GENAUERE MOTORREGELUNG ERHÖHT EFFIZIENZ 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 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 bereits hohen Wirkungsgrades der bürstenlosen DC-Motoren beigetragen. 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 FRIZLEN Brems- und Anlasswiderstände sorgen weltweit für Dynamik bei Hub- und Fahrantrieben in Krananlagen, im Logistikbereich sowie bei mobilen Systemen im Hafenbereich und Offshore. Leistungen von 10 W bis 500 kW Bis IP67, mit UL / CE FRIZLEN Leistungswiderstände Belastbar Zuverlässig Made in Germany 03 Tel. +49 7144 8100-0 www.frizlen.com