Erstaunlich effizient

Energieeffizienz - Energie sparen lohnt sich auch bei Kleinmotoren, denn sie machen die Mehrzahl aller Motoren aus. Neuartige Wicklungs- und Statorgeometrien sowie innovative Magnetmaterialien ermöglichen hier höchste Wirkungsgrade.

02. August 2007

Es vergeht kaum ein Tag, an dem eine bewusstere Nutzung von Energie kein Thema in den Medien ist, und nicht nur Umweltminister sehen den effizienten Umgang mit Rohstoffen und Energie als eine Schlüsselfrage des 21. Jahrhunderts. Umdenken sollten dabei jedoch nicht allein die Menschen in ihrem persönlichen Verhalten: Eine energieeffiziente Wirtschaftsweise ermöglicht schließlich auch den Unternehmen, ihre Kosten weiter zu senken. So verursachen bei elektrischen Antrieben die Energiekosten oft mehr als 90 Prozent der gesamten Lebenszykluskosten. Nach einer Schätzung des Zentralverbands Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) ließen sich deshalb allein durch den Einsatz von energieeffizienten elektrischen Antrieben jährlich 27,5 Milliarden Kilowattstunden Strom sparen, entsprechend einer Kosteneinsparung von 2,2 Milliarden Euro pro Jahr bei heutigen Preisen.

Hohes Einsparpotenzial

Diese Ersparnis könnte erreicht werden, wenn dort, wo Einsparmöglichkeiten bestehen, Motoren gegen energiesparende ausgetauscht oder mit elektronischer Drehzahlregelung versehen würden. Würden beispielsweise die rund 30 Millionen in der deutschen Industrie betriebenen elektrischen Motoren durch energieeffizientere Motoren ersetzt, so dass ihr Wirkungsgrad im Mittel um vier Prozent zunimmt, hätte das Energieeinsparungen von 5,5 Milliarden Kilowattstunden oder 440 Millionen Euro im Jahr zur Folge. Bei steigenden Energiepreisen sollten deshalb bei Investitionen die gesamten Lebenszykluskosten wie Energieverbrauch, Wartungskosten und Lebensdauer eine größere Rolle spielen. Zwar besitzen Energie sparende Motoren in Europa heute einen Marktanteil von über 95 Prozent, allerdings sind dies überwiegend Motoren der wenig effizienten Wirkungsgradklasse EFF2. Motoren der hocheffizienten Klasse EFF1 haben einen Anteil von neun Prozent. All das gilt zudem vor allem für größere Motoren - bei Kleinmotoren dagegen war die Energieeffizienz bisher kaum ein Thema, obwohl der übliche Wirkungsgrad eines kleinen Wechselstrommotors für industrielle Anwendungen deutlich unterhalb der Klasse EFF liegt. Aufgrund der relativ geringen Energieaufnahme dieser Motoren erscheint vielen Anwendern die mögliche Kostenersparnis hier jedoch nicht so gravierend. Übersehen wird dabei allerdings die Tatsache, dass Kleinmotoren insgesamt die Mehrzahl aller Motoren repräsentieren, die in der Industrie im Einsatz sind. Der Einsatz hocheffizienter Motoren eröffnet daher ein großes Energiesparpotenzial. Ein Spezialist für derartige Motoren ist die Rotek GmbH & Co. KG in Bremerhaven. Das Unter nehmen produziert in kleiner bis mittelgroßer Stückzahl kompakte Synchrongetriebemotoren mit einem hohen Wirkungsgrad und niedrigem Energieverbrauch mit einer Leistung bis 60 Watt. Der modulare Aufbau der Motoren ermöglicht dabei mehr als 60.000 Standardvarianten.

Prinzipbedingte Effizienz

Ein Vorteil von Synchronmotoren gegenüber leistungsgleichen Asynchronmotoren ist ihr höherer Wirkungsgrad bei zugleich kleinerem Bauraum, weil in ihrem leiterlosen Rotor keine Verluste anfallen. Das ausgeprägte Selbsthaltemoment im stromlosen Zustand macht zudem eine mechanische Bremse unnötig, die Verschleiß unterliegt und Bauraum kostet. Ein beliebtes Einsatzgebiet der Synchronmotoren von Rotek ist der Antrieb der Förderschnecke in Holzpellet-Heizungen - allerdings zeigte sich bei solchen Anwendungen auch ein Nachteil des hohen Haltemoments dieser Motoren: Die ausgeprägten Statorzähne verursachen einen leicht welligen Drehmomentverlauf, der zu einem gerade in Wohnräumen unerwünschten Brummton führt. Von verschiedenen Heizungsherstellern kam deshalb der Wunsch nach laufruhigeren Motoren mit mehr Leistung zum gleichen Preis. In mehrjähriger Arbeit entwickelten die Bremerhavener Antriebsspezialisten deshalb den neuen Synchronmotor Rosync, der im stromlosen Zustand kein Selbsthaltemoment besitzt und einen Wirkungsgrad von bis zu 75 Prozent erreicht. Damit bietet der Motor bei gleicher Baugröße eine um beinahe 50 Prozent höhere Abgabeleistung als die bisherige Motorenbaureihe. Den außergewöhnlichen Wirkungsgrad erreichten die Entwickler aus Norddeutschland durch innovative Materialien und eine neuartige Konstruktion von Rotor und Stator. So wurde die Wicklung in drei Stränge mit je 120 Grad Phasenverschiebung aufgeteilt und der Eisenanteil im Stator auf das notwendige Minimum reduziert, um mehr Platz für die Spulen zu er halten. Zudem kommen nur hochwertige Ringmagnete aus kunststoffgebundenem Seltenerde Material zum Einsatz. Die möglichst kleinen Wickelköpfe verringern zudem die Wicklungsverluste. Noch effizienter arbeitet der zunächst als Einphasen-Kondensatormotor entwickelte Motor, wenn er - mit einer entsprechend geänderten Wicklung - als Drehstrommotor zum Einsatz kommt. In diesem Falle liegt der Wirkungsgrad bei über 90 Prozent, die Abgabeleistung wurde mit 60 Watt mehr als verdreifacht. Eine derart hohe Effizienz lässt sich sonst nur mit Normmotoren im Kilowatt Bereich erreichen. Dank strikter Anlehnung an das bestehende Baukastensystem blieben zudem die Herstellungskosten und die Abmessungen der neuen Motoren unverändert gegenüber dem bestehenden Synchronmotorenprogramm, sodass sie sich ohne konstruktive Änderungen direkt austauschen lassen.

Klaus Treusch, Rotek/bt

Fakten

Unterschiedliche Elektromotoren besitzen unterschiedliche Wirkungsgrade. So bieten klassische Spaltpolmotoren lediglich 15 bis 20 Prozent, Asynchronmotoren rund 45 bis 50 Prozent und paketierte Synchronmotoren 60 bis 65 Prozent. Energieoptimierte Synchronmotoren wie der Rosync erreichen dagegen einen Wirkungsgrad von bis zu 75 Prozent. Unter dem Gesichtspunkt der Wärmeentwicklung bestimmt der Wirkungsgrad neben der Kühlung und der Einschaltdauer maßgeblich die mögliche Abgabeleistung eines Motors. Beträgt der Wirkungsgrad eines Motors beispielsweise 50 Prozent, erhält man bei 20 Watt aufgenommener Leistung eine Abgabeleistung von 10 Watt; die Verlustleistung wird als Wärme frei. Gelingt es, den Wirkungsgrad auf 75 Prozent zu erhöhen, kann die Aufnahmeleistung bei unveränderter Verlustleistung auf 0 Watt und die Abgabeleistung auf 30 Watt und somit das Dreifache steigen. Umgekehrt benötigen solche Motoren für die gleiche Ausgangsleistung ein Drittel weniger Energie.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007