Die EU hat sich zum Ziel gesetzt, den CO₂-Ausstoß bis zum Jahr 2020 um 20 % bezogen auf das Jahr 2005 zu senken. Einer der Schlüsselfaktoren, um dieses ehrgeizige Vorhaben durchzusetzen, sind die elektrischen Motoren, die millionenfach in Anlagen und Prozessen arbeiten. Allein in der deutschen Industrie, im Gewerbe und in öffentlichen Einrichtungen ließen sich nach Zahlen des ZVEI durch Austausch bereits seit Jahrzehnten laufender Alt-Antriebe durch zeitgemäße Antriebstechnologien pro Jahr 38 Mrd. Kilowattstunden einsparen. Bezogen auf Europa könnte der Verbrauch gar um 135 Mrd. Kilowattstunden sinken, was gleichzeitig 69 Mio. Tonnen weniger CO₂ bedeuten würde.

Die ErP-Richtlinie veranlasst die Motorenhersteller, bis zu bestimmten Stichtagen die dann geforderten Effizienzklassen einzuhalten und entsprechende Motoren zu liefern.

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In der EU legt die Verordnung Nr. 640/2009 Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren fest. Die Anforderungen wurden mit der Verordnung Nr. 4/2014 noch einmal angepasst. Damit einher gingen neue Wirkungsgradklassen, deren aktuelle Grenzwerte für IE1 (niedrigste Klasse) bis IE4 (höchste Klasse) in der EN 60034-30 beziehungsweise in der 2014 kommenden EN 60034-30-1 definiert sind. Um die dort festgelegten Mindestwirkungsgrade zu erreichen, waren Veränderungen bestehender Motortechnologien sowie ebenso neu respektive neu entdeckte Motortechnologien notwendig.

Ein Fokus der Hersteller liegt dabei auf der Bemühung, die Verluste in Rotor und/oder Stator zu minimieren. Dazu können sie zum Beispiel auf bessere Bleche für die Baugruppen setzen. Neben besseren magnetischen Leitern lassen sich hochwertigere elektrische Leiter verwenden – etwa Kupfer im Käfigläufer anstelle von günstigerem Aluminium. Allerdings ändert sich dadurch zusätzlich die Stromaufnahme, falls der Hersteller keine geeigneten weiteren Maßnahmen trifft. Im Einzelnen muss der Anwender daher unter anderem bei einem Austausch von Motoren prüfen, ob andere Lösungen zum Einsatz kommen können. Der folgende Überblick über die wichtigsten Motortypen soll dabei eine Hilfestellung sein:

• Standard-Asynchronmotor
• Kupferläufermotor
• PM-Motor
• EC- beziehungsweise BLDC-Motor
• Line-Start-PM
• Synchron-Reluktanz-Motor
• Synchron-Reluktanz-DOL

Standard-Asynchronmotor – robust und zuverlässig

Auch heute noch ist die bereits 1889 von AEG entwickelte Drehstrom-Asynchronmaschine das "Arbeitspferd" in der Industrie. Sie arbeitet äußerst robust und zuverlässig und hat – im Vergleich zu vielen anderen Motoren – keinen Kommutator und keine Bürsten, die einen zusätzlichen Verschleiß aufweisen. Die Maschine funktioniert nach dem Prinzip der Lorentzkraft. Das ist die Kraft, die eine bewegte Ladung in einem magnetischen Feld erfährt. Weiter verstärkt hat den Trend zur Drehstrom-Asynchronmaschine die Entwicklung von Softstartern und Frequenzumrichtern. Der Softstarter verringerte deutlich den Anlaufstrom und übergibt den Motor nach dem Startvorgang üblicher­weise ans Netz. Der Umrichter erlaubt zudem eine genaue und energieeffiziente Drehzahlregelung.

Für eine Verbesserung des Wirkungsgrades setzen Hersteller oft bessere, größere oder mehr Bleche für den Aufbau von Ständer und Rotor ein. Dies führt in der Praxis teilweise zu einer Vergrößerung der Motoren. Allerdings sind alle Hersteller bemüht, die IEC-Anschlussmaße einzuhalten, um eine Kompatibilität mit den weit verbreiteten Motoren in älteren Anlagen zu gewährleisten. Daher sind die Anschlussmaße (Fußabstand, Wellenhöhe, Wellendurchmesser) in der Regel gleich, nur der Stator fällt teilweise größer aus.

Vor Austausch eines Motors sollten Anwender allerdings prüfen, ob dies überhaupt notwendig ist. Denn eine zehn Jahre alte Asynchronmaschine muss nicht zwangsläufig einen schlechten Wirkungsgrad haben. So hat beispielsweise der VLT Drive Motor FCM300 von Danfoss teilweise schon bei der Einführung vor über zehn Jahren Wirkungsgrade der heutigen Klasse IE2 eingehalten und würde auch nach 2017 noch die gesetzlichen Forderungen  erfüllen.

Grundsätzlich geht der FDIS (Final Draft International Standard) des Motorstandards EN 60034-30-1 davon aus, dass die Wirkungsgradklasse IE4 mit einer Drehstrom-Asynchronmaschine prinzipiell möglich ist. Viel schwieriger wird es sein, IE5 bei netzbetriebenen Motoren zu erreichen.

Kupferläufermotor – besserer Leiter reduziert Verluste

Eine Variante des Standard-Asynchronmotors ist der Kupferläufermotor. Er verfügt über den gleichen Aufbau und das gleiche Funktionsprinzip, unterscheidet sich aber im Läufer: Die Käfigwicklung im Rotor besteht nicht aus Aluminium sondern aus Kupfer. Sie hat entsprechend einen niedrigeren Widerstand als das Aluminium und reduziert damit die Verluste im Läufer. Der Motor kann so die Wirkungsgradklasse IE3 oder IE4 erreichen. Der Kupferläufermotor läuft direkt am Netz oder am Frequenzumrichter und seine Bauform kann bis zur Klasse IE4 den IEC-Standard einhalten. In manchen Fällen baut dieser Motortyp sogar kleiner. Erkauft werden diese Vorteile durch Nachteile bei der Fertigung. Denn die hohe Schmelztemperatur des Kupfers (etwa 1100 °C) im Vergleich zum Aluminium (etwa 660 °C) erfordert hochwertigere Werkzeuge. Außerdem ist Kupfer deutlich teurer als Aluminium. Aufgrund des niedrigeren Widerstands haben Kupferläufermotoren oft einen höheren Anlaufstrom und ein höheres Anlaufmoment. Dies ist bei der Auslegung und beim Austausch älterer Drehstrom-Asynchronmaschinen zu beachten. In der Praxis ist es schon vorgekommen, dass das höhere Moment beziehungsweise Stöße beim Anlaufen zu Schäden geführt haben. 

PM-Motor – hohe Effizienz durch Permanentmagnete

Gerade in Anlagen mit einer hohen Anzahl von Motoren für den Betrieb von Pumpen, Lüftern oder anderen Applikationen – beispielsweise in Kläranlagen – kommt der Effizienz der eingesetzten Motoren eine hohe Bedeutung zu. Insbesondere dann, wenn sie fast ständig unter Volllast laufen.

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Im Vergleich zur Drehstrom-Asynchronmaschine (DASM) besitzt der Permanentmagnetmotor (PM-Motor) – wie der Name schon sagt – keine Läuferwicklung, sondern entsprechende Permanentmagnete, die entweder auf dem Rotor aufgebracht oder in ihm "vergraben" sind. Im einfachsten Fall ist der Stator allerdings analog zur Asynchronmaschine aufgebaut. Alternativ arbeiten die Motorenhersteller bereits an optimierten Designs.

Beim PM-Motor handelt es sich um einen Synchronmotor, das heißt, es gibt keinen Schlupf zwischen Rotor- und Statordrehfeld wie bei der DASM. Die Permanentmagnete sorgen für die notwendige Magnetisierung des Rotors, was verlustlos geschieht. Damit steigt der Wirkungsgrad des Motors gegenüber dem Asynchronmotor. Die Technik ist bereits seit langem als Servomotor bekannt. Neu ist jedoch – aufgrund des höheren Wirkungsgrads – die Bauform als IEC-Normmotor. Kurzzeitig waren die Preise für die Magnete sehr hoch, da für ihre Fertigung die teuren seltenen Erden nötig sind. In den letzten zwei Jahren sind die Preise für die seltenen Erden allerdings deutlich nach unten gegangen. Einer der Gründe ist die Erschließung neuer Minen für diese Rohstoffe.

Ein wesentlicher Nachteil der PM-Motoren ist die Notwendigkeit, einen Frequenzumrichter oder Regler für den Betrieb einzusetzen. Zudem muss dieser wiederum eine Positionsrückmeldung bekommen, um das Magnetfeld optimal an die Position der Permanentmagnete anzupassen und die Rotation zu erzeugen. Daher besitzen solche Systeme häufig einen Geber. Allerdings gibt es Hersteller – darunter Danfoss –, die die PM-Motoren auch geberlos betreiben können.

Zwei weitere Nachteile der Motoren sind zum einen die Gefahr der Entmagnetisierung bei hohem Strom und hoher Temperatur, was in der Praxis eher selten auftritt, und zum anderen ein Problem bei der Wartung der Motoren: Durch die starken Magnete im Rotor lässt sich dieser nur sehr schwer und mit entsprechendem Spezialwerkzeug aus dem Stator entfernen.

In der Praxis erreichen die aktuellen PM-Motoren Wirkungsgradklassen von IE3 und IE4.

EC- beziehungsweise BLDC-Motor

Der EC-Motor tritt in der Praxis in vielen unterschiedlichen Varianten auf. So kommt er beispielsweise als kleiner Stellmotor mit wenigen Watt zum Einsatz, aber ebenso im HVAC-Bereich als Außenläufer in Ventilatoren. Häufig führen die Hersteller ins Feld, dass er einen extrem hohen Wirkungsgrad habe. Vor allem bei den Kleinst­antrieben trifft dies voll und ganz zu, wo der EC-Motor zum Beispiel dem Universal- oder Spalt­polmotor (Wirkungsgrad etwa 30 %) deutlich überlegen ist. Heute liegen die Wirkungsgrade der aktuellen EC-Motoren je nach Ausführung zwischen IE2 und IE4.

Ähnlich den PM-Motoren ist der Rotor mit Magneten bestückt und der Stator trägt die Erregerwicklung. Im ursprünglichen Konzept arbeitete der EC-Motor mit einer DC-Spannung, die immer nur zwischen zwei Strängen angelegt war. Daher rührt auch die Bezeichnung BLDC (Brushless DC-Motoren) oder ECM (Electronically Commutated Motor). Technologisch gehört der BLDC zu den AC-Motoren. Daraus folgt, dass die Bezeichnung BLDC leicht irreführend sein kann.

Zur Kompensation der Nachteile des BLDC-Konzepts, wie dem höheren Phasenstrom und Momenten-Rippel, entwickelten Hersteller bessere Verfahren zur Steuerung. So sind aktuell zudem sensorlose Verfahren erhältlich. Beide Konzepte – das BLDC- wie auch die neuen PWM-basierten Verfahren – laufen unter dem Begriff EC-Motor. Daher besteht für den Anwender die Problematik, zu unterscheiden, ob er es mit einem originalen BLDC oder mit einem verbesserten, PM-ähnlichen Konzept zu tun hat. Aufgrund der Permanentmagnete ergeben sich die gleichen Einflussfaktoren bezüglich der seltenen Erden wie beim PM-Motor.

Line-Start-PM kombiniert verschiedene Technologien

Der Line-Start-PM-Motor ist eine Hybridlösung aus Drehstrom-Asynchron- und PM-Motor. Er besitzt einen Käfigläufer, gleichzeitig aber noch darunter vergrabene Magnete. Dies resultiert in einer sehr aufwendigen Konstruktion des Läufers, was den Motor teurer macht. Allerdings hat er gegenüber einem "normalen" PM-Motor einen wesentlichen Vorteil: Er läuft ohne Regler direkt am Netz. Dabei ist während des Anlaufs die Käfigwicklung aktiv. Wenn der Motor auf die durch die Netzfrequenz vorgegebene Drehzahl beschleunigt hat, verhält er sich wie ein PM-Motor und fällt in Synchronität.

Allerdings ergibt sich beim Anlauf auch ein wesentlicher Nachteil: Der Motor kann beim Start kurz rückwärts laufen. Dieses Anfahr-Wechselmoment gibt es ebenso beim Asynchronmotor am Netz. Allerdings ist es beim Line-Start-PM-Motor wesentlich ausgeprägter. Außerdem können die Momentspitzen beim Start sehr hoch ausfallen – im Extremfall bis zum 17-fachen Nennmoment. Dennoch beherrscht er keinen Schweranlauf und verfügt nicht über eine hohe Dynamik. Ferner kann der Motor bei Lastspitzen oder ein wenig zu hoher Belastung aus der Synchronität fallen, was den Wirkungsgrad drastisch verschlechtert. Empfindlich reagiert er nicht zuletzt auf Unterspannung, wie sie beispielsweise bei Netzschwankungen auftreten kann.

Bei Netzbetrieb erreichen Line-Start-PM-Motoren die Wirkungsgradklassen IE3/IE4. Allerdings ist zu beachten, dass bei einem prinzipiell möglichen Umrichterbetrieb häufig die Wirkungsgrade um 5 bis 10 % im Vergleich zum Netzbetrieb sinken können. Grund dafür ist die Käfigwicklung, die als Dämpferwicklung wirkt. Die erhältlichen Bauformen entsprechen der IEC-Norm oder fallen etwas kleiner aus. Obendrein treten bei diesem Motor die Beschaffungsprobleme der seltenen Erden auf, da hier ebenfalls Permanentmagnete zum Einsatz kommen.

Synchron-Reluktanz-Motor neu erfunden

Beispiel für einen 7,5-kW-Synchron-Reluktanz-Motor der Effizienzklasse IE4 gemäß IEC/CD 60034-30 Ed.2.

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Eine weitere Variante bei den Drehstrommotoren sind die Synchron-Reluktanz-Motoren. Sie nutzen die Reluktanzkraft, die aus einer Änderung des magnetischen Widerstands resultiert. Diese Technik ist nicht neu, kommt allerdings heute als "neu" auf den Markt. Dies rührt daher, dass Hersteller bisher diese Motoren nicht auf Energie-Effizienz getrimmt haben. Spezielle Rotorschnitte führen die Magnetlinien im Innern des Rotors und erzeugen so ein Reluktanzmoment bei hoher Energie-Effizienz. Damit ergeben sich in der Praxis derzeit Wirkungsgrade im Bereich von IE2 bis IE4, bei kleineren Leistungen eher IE2. Erst bei Leis­tungen ab etwa 11 bis 15 kW erreichen die Motoren die Wirkungsgradklasse IE4. Dann weisen sie auch sehr gutes Verhalten bei kleineren Drehzahlen auf.
 
Für den Betrieb am Netz benötigen Synchron-Reluktanz-Motoren einen Frequenzumrichter. Bauart-bedingt sorgen die Aussparungen in den Rotorblechen für schlechtere cos-φ-Werte, was je nach Umrichtertyp zu einer Überdimensionierung um ein bis zwei Leistungsgrößen führen kann. Instabilitäten aufgrund der Rotorkonstruktion sind aktuell nicht bekannt. Derzeit zeichnen sich diese Motoren noch durch die eher hohen Kosten aus. Mit steigenden Stückzahlen sind allerdings sinkende Preise zu erwarten.

Sonderfall Synchron-Reluktanz-DOL

Wie auch beim Line-Start-PM-Motor kombiniert der Hersteller beim "Direct On Line"-Synchron-Reluktanz-Motor (DOL) das Prinzip des Käfigläufers mit dem der Asynchronmaschine. Dazu füllt er offene Stellen im Rotorblech mit Aluminium aus und schließt diese an den Enden kurz. Auch hier liegt der große Vorteil darin, dass dieser Motor direkt am Netz läuft. Gleichzeitig liefert er dann einen besseren cos φ. Der Nachteil dabei ist jedoch, dass die zusätz­liche Dämpfung der Käfigwicklung wieder höhere Verluste bei Umrichterbetrieb erzeugt.

Wo geht die Reise hin?

Wie die Auflistung der Motortypen zeigt, haben die ErP-Regelung und die Forderung nach hoher Energie-Effi­zienz den Markt für Motoren enorm angeregt. Und die Entwicklung ist noch lange nicht am Ende. Schon prüfen Hersteller beispielsweise, ob möglicherweise Ferrite anstelle von Magneten einsetzbar sind. Erste Tests sehen vielversprechend aus. Für den Anwender gilt es letztlich genau zu eruieren, wann ein Einsatz hocheffizienter Motoren sinnvoll und welche Motortechnologie für den Einsatzfall geeignet ist. So ist IE4 wegen der damit verbundenen hohen Kosten oder bei vielen Lastspielen bei einigen Motorkonzepten aufgrund höherer Trägheitsmomente nicht immer ratsam. Denn der Schritt der Einsparung von IE3 auf IE4 ist kleiner, als noch vor einigen Jahren von IE1 auf IE2. Vielfach steigen hier die Kosten stärker, als die Verluste im System sinken. Denn auch ein guter Motor führt nicht zwangsläufig zu einem besseren Wirkungsgrad im System. Zuletzt gilt es zu bedenken, dass einige der beschriebenen Nachteile bei den verschiedenen Motoren sich durch Optimierungen abschwächen lassen – so zum Beispiel das Anlaufverhalten bei den Line-Start-PM-Motoren. Allerdings können solche Maßnahmen gegebenenfalls wieder andere Nachteile hervorrufen.

Autor:
Michael Burghardt ist Produktmanager bei Danfoss in Offenbach/Main.