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Energieeffiziente EC-Außenläufermotoren für die Ventilatorentechnik

EC-Außenläufermotoren brauchen keine Seltene-Erden-Magnete

6. August 2012, 19:06 Uhr | Dr. Jürgen Schöne und Werner Müller

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Funktionsweise der EC-Motoren

Die prinzipielle Funktionsweise eines EC-Motors ist leicht zu verstehen: Der mit Permanentmagneten bestückte Rotor dreht sich synchron mit dem Drehfeld des Stators. Im Unterschied zum netzgespeisten Asynchronmotor ist die Rotordrehzahl dabei nicht automatisch an die Frequenz der Versorgungsspannung gekoppelt, sondern wird durch die sogenannte Kommutierungselektronik vorgegeben. Der Betrieb des EC-Motors erfordert deshalb immer eine zusätzliche Elektronik. Diese bestimmt die Winkelgeschwindigkeit des Statordrehfelds, mit dem sich der Rotor synchron mitdreht.

Die Zusammenhänge zwischen Spannung und Drehzahl sowie Strom und Drehmoment sind weitgehend linear. Dadurch verhält sich der Motor in seiner Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik wie ein Gleichstromnebenschlussmotor. Zur Erfassung der Rotorlage sind entweder Rotorlagesensoren im Motor integriert oder die Kommutierungselektronik ermittelt die Rotorlage sensorlos über die Betriebsgrößen Polradspannung und Motorströme.

Die Leerlaufdrehzahl ist von der angelegten Spannung und der Windungszahl der Statorwicklung abhängig. So lassen sich in den durch physikalische Größen wie Leistung, Drehmoment und Temperatur festgelegten Grenzen fast beliebige Betriebsdrehzahlen schlupffrei (synchron mit dem Statordrehfeld) realisieren, die im Gegensatz zum netzgespeisten Asynchronmotor auch oberhalb der Netzfrequenz liegen können. Wird beispielsweise ein Lüfter mit einem EC-Motor betrieben, kann die Drehzahl immer bedarfsgerecht an die Anforderungen der lüftungstechnischen Anlage oder des Prozesses angepasst werden. Somit lässt sich im Teillastbetrieb der Energieverbrauch deutlich reduzieren, weil sich die benötigte Leistung eines Lüfters in der dritten Potenz der Drehzahl ändert. Außerdem zeigen die EC-Motoren sowohl im Teillastbetrieb als auch bei Volllast einen deutlich höheren Wirkungsgrad als netzgespeiste AC-Motoren, und das bei meist kleinerer Baugröße. Der Grund dafür ist, dass bei den EC-Motoren kein Magnetisierungsstrom nötig ist, die Stromwärmeverluste des Rotors wegfallen und die Möglichkeit besteht, eine spezielle Wicklungsanordnung mit geringem Wickelkopfanteil (Einzelzahnwicklung/Zahnspulenwicklung) zu realisieren. Auch wenn die Seltene-Erden-Magnet-Diskussion diese Motoren belastet, sind sie in puncto Energieeffizienz die beste Wahl.

Bei EC-Motoren ist man nicht zwangsläufig auf die starken Seltene-Erden-Magnete angewiesen. Denn ihre hohe magnetische Güte ist eigentlich nur bei hochdynamischen Servoantrieben vonnöten, wie sie beispielsweise in der Robotik ihren Dienst tun. Hier sind zum einen kompakte Abmessungen gefordert, zum anderen ist aber auch eine möglichst geringe Rotormasse erforderlich, um das Trägheitsmoment zu minimieren. Diese Anforderungen sind nur mit hochremanenten und hochkoerzitiven Seltenen-Erden-Magneten realisierbar. Hersteller solcher Servoantriebe konzentrieren sich deshalb heutzutage vor allem darauf, durch vielschichtige Optimierungen die benötigte Magnetmasse bzw. -höhe zu reduzieren, und haben hier schon recht beachtliche Einsparungen erreicht.