Effiziente Motoren Von Nichts kommt nichts…

… diese Weisheit gilt gerade auch bei Antrieben wie Elektromotoren. Die Kunst des Entwicklers ist, Antriebseigenschaften wie Leistung, Drehmoment oder Lebensdauer zu optimieren - und dies mit einem Minimum an Rohstoffen.

Heute zählen für den Erfolg eines Produktes nicht nur die Leistung und Effizienz während des Betriebs, sondern auch die Produktion und spätere Entsorgung müssen berücksichtigt werden. Diese ganzheitliche Betrachtung ist in vielen Berei-chen schon gesetzlich geregelt und hat oft auch in der Firmenphilosophie von Produzenten und Anwendern Einzug gefunden.

Bei ebm-papst benutzt man den Begriff »GreenTech« als das Ziel, dass jedes neu entwickelte Produkt seinen Vorgänger ökonomisch und ökologisch übertreffen muss. In der Praxis bedeutet das höhere Leis-tung bei weniger Verbrauch und geringerer Umweltbelastung über den gesamten Produktzyklus. Möglichst effiziente Motoren lassen sich besser verkaufen, weil sie weniger Strom benötigen bei gleicher oder sogar besserer Leistung als die Vorgängermodelle oder die der Konkurrenz. Dies gilt besonders bei hochwertigen Komponenten mit sehr langer Einsatzdauer. Hier summieren sich selbst kleinste Einsparungen im Lauf der Jahre zu stattlichen Beträgen.

Bei der Motorentechnik setzte ebm-papst schon vor Jahren auf die konsequente Einführung besonders sparsamer EC-Technik. Im Vergleich zu althergebrachten Spaltpolmotoren mit Wirkungsgraden weit unter 50% sparen die elektronisch kommutierten Antriebe mit durchschnittlich deutlich über 85% Wirkungsgrad einige Stromkosten ein.

Effizienz auf allen Ebenen

Diese Effizienzsteigerung geht einher mit einer verbesserten Leistungscharakteristik der Motoren; die motorinterne Elektronik passt die Kommutierung immer optimal an die bestehende Belastung an. Dies gilt für alle Einsatzbereiche der Motoren, egal ob klassischer Antriebsmotor oder integriertes Antriebs-element in Kompaktlüftern.

Durch die verschleißfreie Kommutierung steigt die Lebensdauer zudem erheblich, mehrere tausend Stunden wartungsfreien Betriebs sind mit kugelgelagerten EC-Motoren heute Standard. Durch dieses Konzept lässt sich bei der Konstruktion auch erheblich Material einsparen. Die Entwickler optimieren die mag-netische Flussdichte per Simulation und dimensionieren exakt das notwendige Material, etwa für Eisenrückschluss etc..

In einer weiteren Ausbaustufe kann die Elektronik sogar Bremsenergie aus dem Antrieb ins Versorgungsnetz zurückspeisen, der Antrieb wird im 4-Quadranten-Betrieb so zum Generator. Diese rein auf den Motor bezogenen Fortschritte werden dann durch Maßnahmen ergänzt, welche die Besonderheiten des Einsatzumfeldes berücksichtigen. So sind aerodynamische Verbesserungen bei Lüftern oder besonders leicht und ruhig laufende Getriebe für die Fördertechnik ein weiteres Standbein für das Einsparpotenzial.

Ein Beispiel in Zahlen dazu: Die EC-Lüftervariante spart bei Dauerbetrieb über zehn Jahre rund 1300 kWh gegenüber einem gleichgroßen AC-Lüfter ein. Bei angenommenen Energiekosten von 0,12 €/kWh macht das eine finanzielle Entlastung von 156 € über die Betriebszeit aus. So amortisiert sich der moderne Lüfter im Dauerbetrieb schon nach drei Monaten. Bei abweichenden Bedingungen oder größeren Lüftern können die Einsparungen noch erheblich größer ausfallen. Kommen mehrere Lüfter pro Anwendung zum Einsatz, so ergibt sich schnell ein erhebliches Sparpotenzial bei den Betriebskosten und der CO2-Belastung der Produktion.

Kompakte Förderrollen

Gerade bei der Stückgutförderung haben sich Rollenförderbahnen als zuverlässige Transporteinrichtung bewährt. Herzstück solcher Anlagen sind robuste Förderrollen mit integrierten Antrieben. Mit dem Motor »ECI 42«, der je nach Ausführung Leistungen von rund 45 W beziehungsweise 90 W bei 110 mNm respektive 220 mNm Nenndrehmoment zur Verfügung stellt, lassen sich so Rollen aufbauen, die auch schwere Nutzlasten (Kartons, Behälter, Stückgut) mit hohem Durchsatz befördern.

Die kompakte Ausführung der Antriebsrolle mit Motor und motorinterner Elektronik sowie angeflanschtem Getriebe bietet große Vorteile bei der Konstruktion und im Betrieb. Es gibt keine störenden Konturen, die man berücksichtigen müsste oder an denen sich Fördergut verhaken kann. Der Green-Tech-Gedanke zeigt sich in der materialsparenden Ausführung und dem energieoptimierten Antrieb mit angeflanschten ein- und mehrstufig ausgelegten Getriebemodulen von 3:1 bis 150:1.

Damit können aus den 110 mNm oder 220 mNm des Motors 0,3 Nm bis 10 Nm Drehmoment an der Abtriebswelle gewonnen werden (Bild 1). Die hochintegrierte Elektronik mit geringen Eigenverlusten erlaubt den 4-Quadrantenbetrieb mit Energierückspeisung. Durch eine »intelligente« Ansteuerung der Antriebe (Power on Demand), lässt sich zudem der Leerlaufverbrauch gegen Null reduzieren.

Die Energieeinsparung durch den hohen Wirkungsgrad aller Komponenten bietet dabei gleich zwei Vorteile: Zum einen wird natürlich die teure »Edelenergie« Strom eingespart, zum anderen sinkt die Verlustwärme in der Antriebsrolle. Das wiederum verbessert deutlich die Lebensdauer aller Komponenten. Sowohl der Motor als auch die Elektronik und die mechanischen Komponenten in Getriebe und Lagerung profitieren von einem geringeren Temperaturniveau. Die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage steigt, die deutlich höhere Verfügbarkeit auch im Langzeitbetrieb rund um die Uhr verbessert die Umweltbilanz zusätzlich.

Kühlung unterstützt Energiesparen

Moderne Technik spart gegenüber herkömmlichen Lösungen oft erhebliche Mengen an Energie. Gleichzeitig geht der Trend zu immer kompakteren Einheiten. Trotz deutlich geringerer Eingangsleistung kann so durch die Konzentration der Abwärme auf eine kleine Fläche eine aktive Kühlung notwendig werden. Ein klassisches Beispiel dafür sind moderne leistungsstarke LED-Scheinwerfer, die im Auto zunehmend für Abblend- und Fernlicht eingesetzt werden. Sie verbrauchen gegenüber Glüh- oder Gasentladungslampen weniger Energie (40% weniger als Halogen- und bis zu 90% weniger als Glühlampen) und bieten eine robustere Technik.

Da die aktiven Halbleiterflächen von Hochleistungs-LEDs sehr klein sind und eine gewisse Temperatur nicht überschreiten dürfen, muss der Chip aktiv gekühlt werden. Hinzu kommt die den Chip ansteuernde Leistungselektronik, die ebenfalls sehr kompakt baut und daher unterstützend gekühlt werden muss. Hierzu kommen nun kleine EC-Lüfter in der Scheinwerfereinheit zum Einsatz.

Die Wärmequelle LED ist auf Kühlkörpern montiert, der Kühlluftstrom wird über Leitvorrichtungen auf die Kühlkörper geblasen. Die Chiptemperatur der LED sinkt so deutlich, die Lebensdauer steigt. Lange Betriebszeiten bei der im Kfz üblichen Temperaturspanne ermöglichen spezielle Kugellager mit optimierter Schmierung.

So ist sichergestellt, dass große Temperaturschwankungen und härteste Schläge im Fahrbetrieb weder die Schmierung noch das optimale Laufspiel von Rotor und Stator beeinträchtigen (Bild 2). Die im Lüfter angebrachte Leiterplatte mit der Ansteuerelektronik ist durch einen speziellen Isolierlack geschützt. Bei Bedarf lässt sich die Drehzahl regeln.

Das Lüfterrad selbst ist mit einem Sichelflügelprofil mit Winglets ausgeführt. So lassen sich hohe Luftleistung und hoher Druckaufbau bei minimaler Leistungsaufnahme und geringem Betriebsgeräusch erreichen. Die erwärmte Abluft dient dann zusätzlich dazu, den Scheinwerfer bei feuchter Witterung beschlagfrei zu halten. Die geringe Abwärmestrahlung der »kalten« LED-Scheinwerfer alleine reicht dazu nicht aus.

Der Lüfter arbeitet hier nebenbei also als »Fensterputzer« und verbessert so Sicherheit und Lebensdauer des Scheinwerfers gleichermaßen. Gefragt ist hier für den Lüfter neben der guten Effizienz, um den Gesamtwirkungsgrad der Leuchteinheit hochzuhalten, eine möglichst große Laufruhe. Aerodynamische Optimierung senkt den Stromverbrauch und das Betriebsgeräusch.

Moderne, effiziente EC-Antriebstechnik bietet über die Elektronik die Möglichkeit, den Motor auf viele Einsatzbereiche optimal abzustimmen. Nicht nur bei Lüftern lassen sich so aerodynamische und anwendungsspezifische Vorteile durch die kompakte Motortechnik besser nutzen, auch bei normalen Antrieben bietet die elektronische Kommutierung mit Feinabstimmung erhebliches Einsparpotenzial. Weniger Verbrauch bei höherer Leistung ist die Folge. Die lange Lebensdauer ohne Wartung spart zusätzlich Arbeitszeit und Kosten. Elektronisch kommutierte Antriebe verbinden auf diese Weise ein hohes Energiesparpotenzial mit längerer Nutzungsdauer und größerem Anwendernutzen.

Über die Autoren:

Johannes Hirt ist Projektleiter Entwicklung Automobile-Lüfter bei ebm-papst und Andreas Zeiff schreibt für das Redaktionsbüro Stutensee.