EC-Motoren der neuen Generation (rechts) mit integrierter Kom­mutierungs- und Ansteuerelektronik sind genau so kompakt, wie herkömmliche AC-Motoren (links) und ermöglichen einen einfachen mechanischen Austausch.

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Stand der Technik bei luft- und klimatechnischen Anlagen sind heute allerdings noch häufig Asynchronmotoren als Ventilatorenantriebe und das aus folgenden Gründen: Die bewährten AC-Motoren sind kompakt und einfach aufgebaut, da sie direkt aus dem Wechsel- oder Drehstromnetz gespeist werden. Für die Versorgung des Läufers benötigen sie weder mechanische Kollektoren noch Elektronik, sie sind robust und arbeiten zuverlässig. Jedoch erreichen EC-Motoren im Vergleich zu AC-Motoren einen deutlich höheren Wirkungsgrad, was vor allem im Hinblick auf die Forderungen der Energiesparverordnung in naher Zukunft unabdingbar ist. Deshalb gilt es, dem Anwender den Umstieg auf die EC-Technik zu erleichtern. Dem tragen aktuelle Entwicklungen in der Ventilatorentechnik Rechnung.

Der Motoren- und Ventilatorenhersteller ebm-papst beispielsweise hat eine neue EC-Motorengeneration entwickelt, die mit der integrierten Kommutierungs- und Ansteuerelektronik genau so kompakt ist wie übliche AC-Motoren. Sowohl bei Axial- als auch bei Radialventilatoren können dadurch die ursprünglichen AC-Varianten einfach gegen die neuen EC-Ausführungen mechanisch ausgetauscht werden. Ohne Design-Änderungen am Gerät des Anwenders lassen sich damit die mit bis zu 90 % ausgesprochen hohen Wirkungsgrade der EC-Motoren nutzen. Folge ist: Die Betriebskosten sinken und der niedrigere Energieverbrauch entlastet die Umwelt.

Vom Prinzip her sind EC-Motoren permanentmagneterregte Synchronmotoren. Bei ihnen folgt der magnetische Rotor synchron einem Drehfeld, das elektronisch erzeugt wird. Dadurch lassen sich beliebige Betriebsdrehzahlen realisieren, unabhängig von der verwendeten Netzfrequenz. Die Entwicklung stellte jedoch eine große technische Herausforderung dar, um bei begrenztem Einbauraum die notwendige Elektronik in den EC-Motoren unterzubringen.

Kunststoffe und Verbundwerkstoffe

Prinzipieller Aufbau der HyBlade-Schaufeln: Eine Trägerstruktur aus einer hoch­festen, korrosi­ons- ­be­stän­digen Alumi- niumlegierung ist mit einem Mantel aus glasfaserverstärktem Kunststoff umspritzt.

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Auch bei den Ventilatorschaufeln gibt es im Hinblick auf die Effizienzsteigerung Optimierungspotenziale, die es auszuschöpfen gilt. Dies bezieht sich zum einen auf die Strömungstechnik, zum anderen auf die Materialauswahl. Die heute vor allem bei großen Axialventilatoren üblichen Schaufeln aus Stahl- oder Aluminiumblech oder auch aus Aluminiumdruckguss setzen den Konstrukteuren enge Grenzen. Denn die monolithischen Schaufeln mit einheitlicher Blechdicke schränken die Gestaltungsmöglichkeit ein.

Stahlbleche müssen zudem lackiert werden, um einen angemessenen Korrosionsschutz für die Outdoor-Anwendungen zu erhalten. Hinzu kommen steigende Rohstoffpreise, besonders bei Aluminium, die einen schonenden Umgang mit den Rohstoff-Ressourcen erfordern. Der Einsatz hochwertiger Kunststoffmaterialien bei Ventilatorschaufeln bietet demgegenüber diverse Vorteile: Während man Blechteile lediglich stanzen, biegen und prägen kann, lassen sich bei Kunststoffen ohne Probleme dreidimensionale Profile formen.

Mechanische Details am Lüftergehäuse vereinfachen die Montage. Durch Schwenken der Lüftereinheit lässt sich zum Beispiel die Luftförderrichtung verändern. Zusätzliches Werkzeug ist dafür nicht erforderlich.

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Dabei können auch die von der Flugzeugtechnik bekannten Winglets berücksichtigt werden. Sie reduzieren unerwünschte Luftströmungen zwischen umlaufender Schaufel und Gehäuse. Dadurch verbessern sich der Wirkungsgrad und das Geräuschverhalten. Gleichzeitig trägt das gute Dämpfungsverhalten des Kunststoffs zur Geräusch- und Gewichtsreduzierung bei.

Je nach Anforderung bezüglich Festigkeit und Einsatzgebiet kommen bei den Ventilatorschaufeln unterschiedliche Materialien zur Verwendung. Ein typisches Beispiel dafür liefern die so genannten HyBlade-Schaufeln, die bei großen Axial­ventilatoren das Geräuschverhalten und den Wirkungsgrad erheblich verbessern. Hier nimmt ein Aluminium-Inlet die mechanischen Kräfte im Betrieb auf und stellt eine dauerhafte Verbindung zum Rotor sicher, während der Kunststoff die tragende Struktur umschließt und dabei der Schaufel ihre strömungstechnisch optimale Form gibt.

„Bio-Ventilator“ vor dem Serienstart

Bei den Anwendern wird die Idee eines Ventilators mit einem Wandring aus „Biowerkstoff“ positiv angenommen. Die schwarz eingefärbte Variante (rechts) soll im Herbst 2011 in Serie gehen.

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Ein ebenfalls wichtiges Thema in der Ventilatoren-Entwicklung ist heute der Einsatz natürlicher Rohstoffe. Bis 2015 will beispielsweise ebm-papst 15 % aller eingesetzten Kunststoffe bei den Produkten durch nachhaltige Werkstoffe ersetzen. Der erste „Bio-Ventilator“, bei dem der Wandring aus einem Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff besteht, existiert bereits. Eigenschaften wie lange Dauerfestigkeit und Temperaturstabilität in den üblichen Bereichen von –30 °C bis +60 °C sind hier ebenso erfüllt wie die Einhaltung aller bisherigen technischen Spezifikationen. Korrosion ist bei der Materialkombination nicht zu befürchten und die Dämpfungseigenschaften sind ausgesprochen gut. In Zukunft werden in der Ventilatorentechnik sicherlich weitere nachhaltige Werkstoffe zum Einsatz kommen.

Konkrete Effizienzsteigerung bringt derzeit aber noch ein ganz anderer Entwicklungsschwerpunkt: Komplette Systemlösungen, die sich als Plug-and-Play-Geräte im Gegensatz zu vielen Einzelkomponenten einfach montieren lassen. Ein Beispiel dafür liefern die bereits beschriebenen EC-Motoren, die es als Komplettlösung mit applikationsspezifischen Lüfterrädern und Gehäusen gibt. Diese bietet außer den Montage- und Logistikvorteilen einen deutlich höheren Wirkungsgrad, da alle Einzelkomponenten – sprich Motor, Elektronik und Laufrad – optimal aufeinander abgestimmt sind.

Ein Paradebeispiel für eine praxisgerechte Systemlösung sind so genannte Filterlüfter. Sie eignen sich gut, um Wärmelasten wirtschaftlich aus Schaltschränken oder Elektronikgehäusen abzuführen. Der mechanische, patentrechtlich geschützte Aufbau der zu diesem Zweck entwickelten Diagonalventilatoren zeigt viele neue Details: Das Gehäuse besteht aus zwei multifunktional ausgelegten Schalen. In der einen Gehäusehälfte sind Einlassdüse, Schutzgitter und Abstandshalter für die Filtermatte integriert. An der anderen Hälfte befinden sich das hintere Schutzgitter und die Motoraufnahme. Zwischen den beiden Teilen wird das Anschluss­terminal mit integrierter Leitungsführung geklemmt. Ventilator und Filtergehäuse miteinander zu verbinden, ist per Bajonettverschluss in vier verschiedenen Po­sitionen möglich. Somit lässt sich ein unterschiedlicher Kabelabgang an je 90° versetzten Positionen realisieren. Hierfür ist kein zusätzliches Werkzeug erforderlich. Das gilt auch für die Änderung der Förderrichtung. Dazu muss der Anwender lediglich das Bajonett-Verschlusssystem des Diagonalventilators lösen, die Lüftereinheit um 180° schwenken und wieder einrasten.

Autor: Gunter Streng ist Entwicklungsleiter bei ebm-papst in Mulfingen.