Elektromotoren verbrauchen etwa 60 bis 65 % des in der Industrie benötigten Stromes. Hauptziel bei der Optimierung von Motoren ist daher eine effizientere Energienutzung durch Steigerung des Wirkungsgrades. Weitere Einsparungen lassen sich zudem durch drehzahlgeregelte Antriebssysteme erzielen, die mittlerweile in 30 bis 40 % aller neu installierten Motoren zum Einsatz kommen. Aufgrund der Tatsache, dass sich das Starten eines umrichtergespeisten Motors grundle-gend vom Einschalten eines Motors unterscheidet, der direkt an das 50-Hz-Stromnetz angeschlossen ist, sowie aus der Veränderung anderer Randbedingungen, ergeben sich diverse Möglichkeiten zur Optimierung des Motorendesigns und zur Verbesserung der Effizienz.

Ein häufiger Ansatz zur Verbesserung der Energie-Effizienz ist die Verwendung von Synchronmotoren (SM). Ein Synchronmotor mit einem vierpoligen Rotor läuft im 50-Hz-Betrieb bei einer Drehzahl von genau 1500 U/min synchron mit der Versorgungsspannung. Bei einem entsprechenden Asynchronmotor (AM) mit 30 kW hingegen treten Schlupfverluste auf, weshalb dieser nur mit 1475 U/min läuft. Bei modernen Asynchronmotoren mit Kurzschlussläuferkäfig machen die Rotorverluste 20 bis 35 % der gesamten Motorverluste aus. Die meisten dieser Verluste lassen sich durch einen Synchronmotor vermeiden. Die Beseitigung dieser Schlupfverluste ermöglicht eine Effizienzsteigerung zwischen 0,6 % (220-kW-Motor) und 8 % (3 kW) sowie eine Steigerung der Leistungs- und Drehmomentdichte um 20 bis 40 % bei gleicher Wärmeklasse der Isolation.

Synchronmotoren gibt es in verschiedenen Varianten: Motoren mit Feldwicklung und bürstenlosen Erregern, Permanentmagnetmotoren (PM-Motoren) oder Motoren, die nach dem Prinzip der magnetischen Reluktanz arbeiten – oft als synchrone Reluktanz-motoren – auch SynRM genannt. Ein SynRM-Rotor verfügt weder über ei-nen Kurzschlusskäfigläufer wie beim Asynchronmotor noch über Permanentmagnete oder eine Felderregerwick-lung. Stattdessen wird hier das Prinzip der magnetischen Reluktanz genutzt.Magnetische Reluktanz ist das magnetische Pendant zum elektrischen Widerstand. Das heißt: Der Rotor besitzt in einer Richtung einen möglichst geringen magnetischen Widerstand und rechtwinklig dazu eine hohe magnetische Reluktanz beziehungsweise eine gute magnetische „Isolation“. Das Drehmoment entsteht dadurch, dass der Rotor versucht, die magnetisch leitfähige Richtung am Statorfeld auszurichten. Die Höhe des erzeugten Drehmoments ist direkt proportional zur Ausprägung beziehungsweise zum Verhältnis der Induktivitäten der beiden magnetischen Richtungen des Rotors.

Synchron-Reluktanzmotor: Die Entwicklung

Die Erfindung des synchronen Reluktanzmotors geht zurück auf das Jahr 1923. In der Industrie fand er jedoch kaum Anwendung, da er im direkten Netzanschluss nicht selbstständig anläuft. Zwar wurden Anfang der 80er-Jahre Permanentmagnetwerkstoffe auf der Basis von Neodym (NdFeB) entdeckt; die daraus resultierende neue Technologie für Servomotoren setzt sich mittlerweile in vielen Spezialanwendungen wie getriebelosen, langsam laufenden Torque-Motoren durch, der SynRM blieb jedoch erneut weitgehend unbeachtet.

Ein Grund für das heutige Schattendasein des SynRM mag sein, dass in vielen früheren Veröffentlichungen zum SynRM die laut Berechnungen zu erwartenden, überlegenen Drehmoment- und Effizienz-Eigenschaften gegenüber dem AM nicht recht deutlich wurden. Vermutlich fehlte es den ersten Ansätzen auch noch an einer optimierten Umrichtersteuerung. Wichtig in diesem Zusammenhang ist auch, zwischen dem SynRM und dem geschalteten Reluktanzmotor oder Schrittmotor zu unterscheiden. Letzterer besitzt einen völlig anderen Stator, ein anderes Wicklungskonzept sowie einen nicht sinusförmigen Stromverlauf und wird aufgrund seines hohen Geräuschpegels für den industriellen Einsatz häufig als ungeeignet erachtet.

Ein oft genannter Nachteil des SynRM ist nicht zuletzt der höhere Strombedarf für das gleiche Drehmoment im Vergleich zum PM-Motor, da der Rotor durch den Stator magnetisiert werden muss. Allerdings wird der vom Netz aus betrachtete Leistungsfaktor durch den Umrichter bestimmt und liegt auch beim SynRM in allen Betriebsarten nahe bei 1.

Energie-Einsparung durch höheren Motorwirkungsgrad

Die Leistungsdichte eines synchronen Reluktanzmotors liegt deutlich über der eines konventionellen Asynchronmotors.

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Angesichts dieser Vorteile hat ABB einen neuen Motor auf Basis des Reluktanz-Prinzipes entwickelt und auf der Hannover Messe 2011 erstmalig vor­gestellt. Konkrete Messungen haben gezeigt, dass der Motorstrom bei den Umrichter-geregelten SynRM-Rotoren, welcher sich umgekehrt proportional zum Leistungsfaktor und Wirkungsgrad verhält, vielfach geringer ist als bei einer kleinen Asynchronmaschine mit gleichem Drehmoment und gleicher Drehzahl. Dies ist vor allem auf den erheblich besseren Wirkungsgrad zurückzuführen.

Im Allgemeinen lassen sich die Synchron-Reluktanzmotoren mit Umrichtern der gleichen Größe betreiben wie ein Asynchronmotor mit gleicher Leistung und gleichem Drehmoment – allerdings mit höherer Leistungsdichte und höherem Wirkungsgrad. Diese Steigerung des Motorwirkungsgrades führt zu einer Energie-Einsparung für das gesamte Antriebssystem.Ein weiterer bedeutender Vorteil des neuen SynRM von ABB ist die Rotorstruktur. Ohne Magnete und Käfig ist der Rotor robuster als bei AM oder PM-Maschinen. Zudem entfällt das Risiko eines permanenten Leistungsverlusts durch Entmagnetisierung bei einem Ausfall oder Überhitzung. Auch ist der Motor eigensicher im Betrieb, da durch die fehlenden Magnete keine elektromotorische Gegenspannung induziert wird.

Aus der weitgehenden Beseitigung der Rotorverluste und der optimierten Rotorstruktur ergeben sich eine Reihe von Vorteilen für diese Motoren und die davon angetriebene Ausrüstung. Ein Motor mit dieser Technologie kann mit der nach IEC standardisierten Normleistung für die jeweilige Baugröße betrieben werden. Für Maschinen im einstelligen kW-Bereich ergibt sich in diesem Fall eine Effi­zienzsteigerung von über 5 %, bei den größten Motoren (Baugröße 315) sind es immerhin noch bis 0,5 %. Wo also ein AM einen Temperaturanstieg nach Klasse F (105 K) erreicht hätte, bleibt der SynRM in der Wärmeklasse A (60 K). Nimmt man zum Beispiel einen Kompressor, der mit 4500 U/min betrieben wird, bleiben die Lagertemperaturen beim genannten SynRM noch unter denen, die beim Betrieb mit einem größeren AM erreicht werden. Diese niedrige Betriebstemperatur verlängert die Lebensdauer der Mo­torisolierung und der Lager beziehungsweise deren Schmierintervalle.

Geringere Temperaturabgabe bei höherer Leistung

Die niedrige Betriebstemperatur des Reluktanzmotors hat reduzierte Wartungs- kosten und eine erhöhte Zuverlässigkeit zur Folge.

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Die beschriebene Technologie ermöglicht eine hohe Drehmoment-Ausbeute. Der Temperaturanstieg der SynRM bleibt im Bereich der herkömmlichen Klassen B oder F. Da Verluste am Rotor im Vergleich zu Statorverlusten schwer zu kühlen sind, wirkt sich ihre nahezu vollständige Beseitigung in diesen Fällen besonders positiv auf das Drehmomentverhalten aus. Bei kleinen Motoren mit 3 oder 4 kW kann die Leistung bei gleichem Temperaturanstieg um bis zu 60 % gesteigert werden. Bei einem 60-kW-Motor liegt die Steigerung im Vergleich zu einem AM im Bereich von 40 % und bei einem 220-kW-Motor bei etwa 20 %.

Mit anderen Worten: In den meisten Fällen ist mit einem SynRM, der um eine oder sogar zwei Baugrößen kleiner ist als ein entsprechender AM, die gleiche Leistung erzielbar. Dies zahlt sich vor allem bei Anwendungen aus, bei denen platzsparende Motoren gefordert sind. Ein weiterer Pluspunkt ist die geringere Wärmeabgabe an benachbarte Maschinen- und Anlagenteile. Da weniger Wärme durch die Welle abgeleitet wird, sinkt die Lagertemperatur besonders auf der Antriebsseite. Im Vergleich zu einem AM lassen sich mit dem SynRM bei einer Leistung von 6 kW Temperatursenkungen um bis zu 30 K erzielen. Über den gesamten Leistungsbereich hinweg liegt die Reduktion typischerweise bei 15 bis 20 K. Dieser Effekt macht sich besonders bei höheren Drehzahlen und beim Betrieb in höheren Wärmeklassen bemerkbar.

Der allgemein hohe Wirkungsgrad bleibt selbst bei dieser hohen Ausgangsleistung erhalten. Nicht zuletzt besitzen die Rotoren aufgrund des Fehlens von Käfigläufer und Magneten ein um 30 bis 50 % geringeres Massenträgheitsmoment. In besonders dynamischen Anwendungen sorgt dies für weitere Effizienzvorteile, da die Motoren mit weniger Drehmoment beschleunigt und abgebremst werden können.

Antriebselektronik an Reluktanzprinzip angepasst

Durch die Konstruktion ohne Wicklung weist der Rotor nahezu keine Verluste auf.

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Trotz der vielen Gemeinsamkeiten mit dem PM-Motor – mit Ausnahme des nicht vorhandenen Rotorflusses – wurde bei der Entwicklung der Umrichter-Motor-Kombination großer Wert darauf gelegt, die Drehmoment-Erzeugung durch eine auf maximales Drehmoment je Ampere (Maximum Torque Per Ampere, MTPA) ausgelegte Regelung zu optimieren. So lässt sich sicherstellen, dass der Motorstrom an jedem Betriebspunkt so gering wie möglich gehalten wird. Hierzu wurde die bestehende Antriebstechnologie mit standardmäßiger direkter Drehmoment-Regelung (Direct Torque Control, DTC) für AM und PM-Motoren angepasst und um den SynRM als neuen Motortyp erweitert. Die Steuerung ist auch in der Lage, im Feldschwächungsbereich – sprich im Drehzahlbereich oberhalb der Bemessungsdrehzahl – zu arbeiten. So ist für einen Großteil der Motorenbaugrößen eine Maximaldrehzahl erreichbar, die bis zum 1,5-fachen über der Bemessungsdrehzahl liegt.

Von der Installation und vom Betrieb her unterscheidet sich der leistungselektronische Teil des Umrichters für diesen Motor nicht von drehzahlgeregelten Antrieben für AMs oder PM-Motoren. Zu den Standardmerkmalen gehören die Ermittlung des Motormodells auf der Basis von Typenschildangaben und ein geberloser Betrieb. Der Motor benötigt keinerlei Drehzahl-Sensoren und bietet dennoch eine hohe Drehzahl-Genauigkeit und Drehmoment-Dynamik. Bei Bedarf kann der Antrieb sogar auf eine bestimmte Überlastfähigkeit und zyklische Belastbarkeit ausgelegt werden.

Autor: Andreas Keiger ist Vertriebsleiter Drives & Motors bei ABB Automation Products.

Die Rotorkonstruktion

Der Rotor des neuen Reluktanzmotors von ABB ist weniger komplex als bei Asynchronmotoren und PM-Motoren und besteht aus laminierten Blechen aus weichmagnetischem Stahl, die an der Welle befestigt sind. Komplex ist hingegen das Design. Umfangreiche Finite-Elemente-Simulationen waren erforderlich, um die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Rotorquerschnitts sicherzustellen. 

Wichtige konstruktive Aspekte sind die Zahl der magnetischen Segmente und die genaue Form der Luftbarrieren, da diese für die Dreh-moment-Erzeugung und den Magnetisierungsstrom ausschlaggebend sind. Für eine günstige Auslegung des Antriebs musste dieser Blind-strom möglichst gering gehalten werden. Die genaue Platzierung der Segmente entlang der Peripherie ist entscheidend für ein gleichmäßiges Drehmoment bei der Rotation, damit der Motor ebenso leise läuft wie herkömmliche Motoren. Ein Ergebnis dieser komplexen Opti-mierung mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) sowie analytischen und genetischen Algorithmen war, dass sich eine vierpolige Konfiguration für den gesamten Drehzahlbereich bis 6000 U/min am besten eignet.

Interview: Effizienz ist Pflicht!

Andreas Keiger, ABB: „Jede geplante Umstellung muss sich definitiv an der Wirtschaftlichkeit messen lassen.“

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Seit ein paar Wochen ist es amtlich: gemäß der EU-Verordnung 2009/640/EG dürfen im Dauerbetrieb und im Leistungsbereich von 0,75 und 375 kW nur noch Motoren eingesetzt werden, die mindestens die Effizienzklasse IE2 erfüllen. Andreas Keiger, Vertriebsleiter Drives & Motors bei ABB Automation Products, zur aktuellen Marktsituation.

Herr Keiger, verkaufen Sie seit Juni zu 100 %  Motoren gemäß der Effizienzklasse IE2 und höher?

Keiger: Nicht ganz, aber nahezu. Wir haben vor über einem Jahr damit begonnen, unsere eigenen Mitarbeiter und vor allem unsere Kunden für das Thema der neuen Effizienz­klassen zu sensibilisieren. Insbesondere große OEMs haben die Zeit genutzt, um ihr Ma-schinendesign den neuen Motoren anzu-passen. Dabei haben sich viele zudem die Frage gestellt, ob ihre Maschinen nicht jetzt schon den Anspruch beginnend ab 2015 und IE3 entsprechen sollten. Denn ein Redesign eines Maschinentyps bringt erhebliche Kosten mit sich, die man bei genauer Betrachtung schon jetzt sparen kann. – Trotzdem: Noch haben nicht alle Kunden den Trend und die Notwendigkeit erkannt und manche kommen recht spät in ihrem eigenen Umstellungsprozess zu Gange. Gemäß der EU-Verordnung gibt es leider noch einige „Graubereiche“ wie zum Beispiel den Temperaturbereich, der den Herstellern die Möglichkeit gibt, ihre Maschinen entsprechend zu spezifizieren und somit den Anwendungsbereich zu verändern.

Wie verhält es sich beim Ersatzgeschäft in bestehenden Anlagen: Ist hier ein Umstieg auch zwingend erforderlich oder lassen sich in diesen Fällen weiterhin IE1-Motoren verwenden? – Immerhin bedeutet ein Umstieg unter Umständen eine Um- beziehungsweise Neukonstruktion.

Keiger: Sollte es nach dem 16. Juni 2011 zum Ausfall oder zum Ersatz eines IE1-Motors kommen, ist es zwingend erforderlich, min­-destens einen IE2-Motor einzusetzen. In den meisten Fällen ist dies problemlos mög-lich, da sich die Einbaumaße und Gewichte nur geringfügig geändert haben. Aus Effi-zienzgründen lohnt sich ein Umstieg aber immer.

Nach IE2 kommt ja ab 2015, spätestens aber 2017 in der EU die Forderung nach IE3/IE4-Motoren; in anderen Regionen ist dies bereits früher der Fall. Macht es da Sinn, dass Maschinenbauer – insbesondere die stark exportorientierten – bei neuen Maschinen- und Anlagenkonzepten überhaupt noch IE2-Lösungen umsetzen?

Keiger: Wie schon erwähnt, haben gut informierte Maschinenbauer ihre Maschinenkonzepte sehr eingehend untersucht. Sofern sich eine Anwendung auch drehzahlgeregelt fahren lässt, sind die dabei erzielbaren Ein-sparungen größer als der bloße Einsatz eines IE3-Motors. Sollte der Einsatz eines Frequenzumrichters keinen Sinn machen, empfehlen wir unseren Kunden den sofortigen Umstieg auf IE3-Motoren, um sich so ein weiteres Redesign ihrer Maschinen zu ersparen.

Auf der zurückliegenden Hannover Messe hat ABB mit der Vorstellung des neuen Reluktanzmotors bereits den Einsatz von IE4-Motoren proklamiert. Ist IE3 damit schon wieder passee?

Keiger: Nein. ABB ist ein stark durch Inno-va­tionen getriebener Konzern, der mit neuen Produkten und Lösungen gezielt Nischen und neue Märkte besetzen möchte. Außer-dem versteht sich das neue Angebot aus Syn-chron­reluktanzmotor und Frequenzumrichter als Paketansatz mit zwei unterschiedlichen Zielgruppen: Zum einen die Anwender, die sehr stark auf Einbaumaße und hohe Leistungsdichte setzen – hierfür haben wir das Paket auf eine möglichst hohe Leistung getrimmt. Zum anderen haben bestimmte Kunden klar den Bedarf nach höchster Energie-Effizienz geäußert, dem unser zweites Angebot entspricht.

Ein oft genannter Wert beim Vergleich bisheriger IE1-Motoren mit IE2-Motoren lautet: Rund 25 % mehr Gewicht respektive Platzbedarf und entsprechend höhere Inves-titionskosten. Wie sieht die Rechnung beim Umstieg von IE1 beziehungsweise IE2 auf IE4 aus?

Keiger: Wegen der Vielzahl unterschiedlichster Applikationen gibt es hier keine Faustformel für Preise und Investitionskosten. Da die Herstellungskosten der Motoren aufgrund eines geänderten Materialeinsatzes und gegebenenfalls auch der Produk­tionsmethoden höher sind, wird sich dies unbestritten bei den Kosten für den Kunden widerspiegeln. Noch immer sind wir aber bei der Betrachtung der Investitionskosten zu schnell nur beim Anschaffungspreis und lassen die eigentlichen Lebenszykluskosten außen vor.

Kannibalisieren Sie mit den neuen IE4-Konzepten nicht die bestehenden IE2-Lösungen im eigenen Haus, noch bevor diese richtig im Markt sind?

Keiger: Ein klares Nein! ABB hat in der Breite seiner Kundenfelder und Anwendung immer das Ziel, jedem Kunden seine optimale Lösung bereitzustellen. Mit dieser Erweiterung unseres Portfolios schaffen wir hierzu die Voraussetzungen.