Antriebe leisten elementaren Beitrag für Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit
Motortechnik für Höchstleistung
Die Reduzierung des Energie- und Ressourcenverbrauchs ist wirtschaftlich wie ökologisch eine Notwendigkeit für Fertigungsunternehmen weltweit. In industriellen Anwendungen verbrauchen Elektromotoren etwa 70 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie. Nord Drivesystems hilft dem Anwender mit neuartigen Antriebslösungen bei der Erschließung von Einsparpotenzialen.
 Der hocheffiziente Getriebemotor DuoDrive ist komplett in einem Gehäuse integriert.
Der hocheffiziente Getriebemotor DuoDrive ist komplett in einem Gehäuse integriert. Bild: Nord Drivesystems

Bei Energieeinsparungen muss immer das gesamte Antriebssystem inklusive Elektromotor, Getriebe und die Antriebselektronik einbezogen werden. Das Potenzial liegt hier typischerweise bei rund 30 bis 60 Prozent. Dieser Beitrag betrachtet aber speziell die Möglichkeiten bei Elektromotoren. Nord hat sich dieser Aufgabe schon seit dem Aufkommen der Energiedebatte verschrieben und versucht bei jeder Neu- und Weiterentwicklung seiner Antriebssysteme, größere Wirtschaftlichkeit, höhere Energieeffizienz sowie bessere Performance zu verbinden. Auf Basis offizieller OECD-Zahlen wird der Industrie mit 51 Prozent im Zeitraum von 2000 bis 2017 der größte Anteil an der erreichten Einsparung des Energieeinsatzes durch bessere Effizienz zugeschrieben. Dabei haben die Prozesswärmeerzeugung und die Nutzung elektrischen Stroms in Antrieben die größten Anteile. Einschneidende Maßnahmen in beiden Sektoren tragen also sowohl zur Ressourcenschonung, als auch zur Erreichung der Klimaziele erheblich bei.

Elektromotoren sind hinsichtlich der Ökodesign-Richtlinie die relevanteste Produktgruppe, insbesondere auch für den industriellen Energieverbrauch, denn so betriebene Systeme verbrauchen etwa 70 Prozent der industriell eingesetzten elektrischen Energie. Das ist in etwa die Hälfte der insgesamt in der Europäischen Union genutzten elektrischen Energie. So wurden laut Schätzungen im Jahr 2015 ca. 1.400 Terawattstunden elektrische Energie von Elektromotoren in mechanische Energie und Wärme umgesetzt. Deshalb existieren für solche Antriebe im Dauerbetrieb fast weltweit Regelwerke und in vielen Regionen sogar systembezogene Regeln, die auch Arbeitsmaschinen wie Pumpen, Lüfter oder Druckluftkompressoren umfassen. Die Regulierung der Energieeffizienz bewirkt im Hinblick auf Ressourcenschonung und Wirtschaftlichkeit gleichermaßen etwas. In der Regel spielen alle, selbst einschichtig im Dauerbetrieb laufende Elektromotoren, die nach den heutigen Vorschriften (z.B. IE3) geliefert werden, ihre Mehrkosten gegenüber den Investitionen für früher übliche IE1-Motoren schon nach kurzer Zeit wieder ein. Auf seiner Website bietet Nord Drivesystems einen aktuellen Überblick der weltweit geltenden Effizienzvorschriften und Normen für Motoren.

 Der energieeffiziente und weltweit einsetzbare Universal-Motor von Nord erfüllt IE3 und ist von 0,12 bis 45kW erhältlich.
Der energieeffiziente und weltweit einsetzbare Universal-Motor von Nord erfüllt IE3 und ist von 0,12 bis 45kW erhältlich.Bild: Nord Drivesystems

Effizienzgetriebene Optimierungswelle

Den ersten deutlichen Schritt in Richtung Effizienzsteigerung mussten die Hersteller von Asynchronmotoren in Vorbereitung auf das Jahr 2011 machen, als durch Inkrafttreten der bis zum 30. Juni 2021 gültigen Richtlinie 640/2009 die Verwendung von IE2-Motoren für den Dauerbetrieb verbindlich vorgeschrieben wurde. Innerhalb eines Jahres verdoppelte sich dadurch die Zahl der eingesetzten IE2-Motoren, während der Einsatz von IE1-Motoren drastisch abnahm. Erstmals wurde eine nennenswerte Zahl an IE3-Motoren verkauft, aber auch deren Absatz stieg erst mit der verpflichtenden Einführung über 7,5kW im Jahr 2015 und für alle Leistungen seit 2017. Mit der neuen Verordnung EU2019/1781, die seit dem 1. Juli 2021 die Vorgängerregelung ersetzt, ist perspektivisch ein erheblicher Rückgang der Verkaufszahlen für IE2-Motoren zu erwarten, weil die Anwender in den Bereichen wo die kommenden IE3-Regeln nicht eingehalten werden müssen, auf den in der Anschaffung günstigeren IE1-Motor setzen werden.

Die Verluste des IE3-Motors liegen rund 20 Prozent niedriger als die IE2-Motorverluste. Das ist in den meisten Fällen mit einer gravierenden Änderung, also Vergrößerung, des Aktivmaterials verbunden. Die Hersteller reagierten darauf unterschiedlich: Mancher entschied sich für eine grundlegende Durchmesseränderung. Sie wirkt quadratisch auf die Größe der Rotoroberfläche als wichtige Ausnutzungskenngröße. So ließen sich Verlängerungen oder starke Blechqualitätsänderungen umgehen. Viele Hersteller scheuten die Investitionen, die mit diesem Schritt verbunden waren: Entwicklungskosten, neue Aluminiumgehäuse mit geringeren Rippenhöhen und tendenziell eher rechteckiger Außenkontur, mehr Platz für das Eisenpaket, gleiche Anbaumaße bei größeren Zentrierungen sowie neue Lagerschilde und Lüfter bzw. Lüfterhauben. Einige Hersteller nutzten das Volumen bis auf die letzten Millimeter aus, kamen mit einer Paket- und Wicklungsverdichtung auf IE2 und überlegten sich dann neue Maßnahmen für den Schritt zu IE3.

Bild: Getriebebau NORD GmbH & Co. KG

Höherwertiges Aktivmaterial

Mit der Vorgabe, 20 Prozent der IE2-Motorverluste einzusparen, kommen viele Asynchronmotoren an ihre physikalischen und teilweise wirtschaftlichen Grenzen. In einigen Motorgrößen bedeutet das für die Hersteller den Einsatz deutlich teurer Kupferrotoren, um einen Baugrößensprung zu vermeiden. Für den Getriebeanbau bedeutet der IE3-Motor, dass die Flansche durch höheres Motorgewicht stärker belastet werden. Mit der Jahresmitte 2021 entfiel im Geltungsbereich der Ökodesign-Richtlinie die legale Möglichkeit den IE3-Motor durch IE2-Motoren in Kombination mit Frequenzumrichtern zu umgehen. Dadurch sind die Verkaufszahlen der IE3-Motoren stark angestiegen. Das gilt auch schon für 2-, 6- und 8-polige Motoren, auch wenn hier die Zahlen deutlich geringer sind, als bei 4-poligen Ausführungen. Für die Leistungen von 75 bis 200kW wurde in der Richtlinie bereits eine Weichenstellung für 2023 aufgenommen, dann wird die IE4-Klasse auch für die Standard-Asynchronmotoren größerer Leistungen Realität. Mit den Baugrößen wachsen auch die Effizienzwerte. Deshalb sind die Differenzen zwischen IE3- und IE4-Motoren physikalisch leichter und mit weniger Anpassungen erreichbar.

Für kleinere Motoren weitere Effizienzschritte zu gehen, gelingt meist nur noch mit Konzeptänderungen. Nord Drivesystems geht hier bewusst den Weg mit 4-poligen IE4-Synchronmotoren, die am Umrichter betrieben werden. Sie sind äußerlich nicht von den Asynchronmotoren zu unterscheiden, passen in die Gehäusesysteme und lassen ähnliche Kombinationen mit den Standardgetrieben im Direktanbau oder im Adapteranbau zu. Auch aufgebaute Umrichter sind möglich.

Erst ein weiterer Schritt hin zu einem neuen System eines an einem Frequenzumrichter betriebenen Permanentmagnet-Synchronmotors mit einer Effizienz, die einer IE5+ entspricht, hat weitere Chancen zur Verlustleistungsminderung erbracht: Mit der Einzelzahnwicklung wurde der kürzeste Wickelkopf Realität, der physikalisch in der klassischen Magnetflussführung machbar ist. Hinzu kam ein Eisenpaket aus hochwertigem verlustarmem Material, das der Devise folgt: Überall dort, wo Material nicht zur Flussführung gebraucht wird, kann es weggelassen werden. So bleibt Platz für die Kupferwicklung mit geringem Widerstand und kompakter Spule. Die aufgrund der 8-poligen Bauweise nötigen Frequenzen von 200Hz bei bis zu 3.000U/Min sind damit noch beherrschbar. Die verbesserte Rotorkontur bringt wenig Momenten-Ripple und sehr geringe Cogging-Torque-Störungen ein, so dass der Motor für die Regelung gutmütig ist – wenn auch induktivitätsarm und recht schnell in der Reaktion. Zusammen mit dem massenträgheitsarmen Rotor bietet er dem Anwender die Möglichkeit, ein häufiges Abschalten (Start/Stopp-Betrieb) zur Verlustminderung ohne große Energieverluste in den bewegten Massen zu realisieren.

Motortechnik mit hohem Integrationsgrad

Mit der neuen Motorengeneration IE5+ (basierend auf der Effizienzklassifizierung nach IEC60034-30-1 und IEC60034-30-2) macht Nord Drivesystems den Schritt in eine neue Produktsystemlandschaft mit Fokus auf extrem hoher Energieeffizienz bei gleichzeitig kompakter Bauweise. Der Synchronmotor in Baugröße 71 ist für den Leistungsbereich von 0,35 bis 1,1kW mit einem Dauerdrehmoment von 1,6 bis 4,8Nm und Drehzahlen von 0 bis 2.100U/min geeignet, Baugröße 90 für den Leistungsbereich von 1,1 bis 2,2kW mit einem Dauerdrehmoment von 6,8 bis 10Nm. In punkto Leistungsdichte, Zuverlässigkeit sowie Wirtschaftlichkeit soll der neue IE5+-Motor Maßstäbe setzen und erhebliche Performancevorteile bieten. Dieser Ansatz wurde mit der jüngsten Weiterentwicklung zum Getriebemotor DuoDrive, dem ersten vollständig in ein einstufiges Stirnradgetriebe integrierten IE5+-Synchronmotor, weiter ausgebaut.

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Getriebebau NORD GmbH & Co. KG

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