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Energiesparmotor Optimieren der Lebensdauerleistung von Elektromotoren

Autor / Redakteur: Roelof Timmer, Mikko Helinko, Ritva Eskola / Reinhard Kluger

Mit Hochwirkungsgrad-Elektromotoren lassen sich erhebliche Energieeinsparungen erzielen. Doch neben dem Wirkungsgrad gilt es noch weitere wichtige Eigenschaften zu berücksichtigen. Dazu gehören: die Eignung für die jeweilige Anwendung, die korrekte Dimensionierung sowie die Zuverlässigkeit von Lagern und Wicklungen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Bei der Konstruktion und Fertigung von zuverlässigen Motoren mit einem guten Hochlauf- und Betriebsverhalten müssen eine Vielzahl verschiedener Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören neben dem Wirkungsgrad und den Kosten auch das Lager-, Nut- und Lüfterdesign sowie die Erwärmung, Vibrationen und Geräusche. Nur die richtige Balance zwischen diesen Faktoren führt zu einem hochwertigen, effizienten und zuverlässigen Motor mit einer langen Lebensdauer und optimalem Gewicht. Statt sich ausschließlich auf den Wirkungsgrad zu konzentrieren, verfolgt ABB bei der Entwicklung ihrer Motoren einen lebenszyklusorientierten Ansatz. Dabei wird versucht, die Produktvorteile über die gesamte Lebensdauer hinweg zu maximieren und gleichzeitig die Kosten zu minimieren. Neben dem Wirkungsgrad spielen die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit beim Lebenszyklus-Ansatz eine besondere Rolle.

Die Energiekosten machen normalerweise den größten Teil der Lebenszykluskosten aus. Steigende Energiepreise rücken das Thema Energieverbrauch und Wirkungsgrad ins Zentrum des Interesses. In vielen Teilen der Welt werden staatliche Programme ins Leben gerufen, die den Einsatz effizienter Motoren in der Industrie fördern. Dies hat dazu geführt, dass einige Hersteller versuchen, ausschließlich den Wirkungsgrad ihrer Produkte um jeden Preis zu erhöhen und dabei andere für die Gesamtleistung wichtige Aspekte außer Acht lassen.

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Effizienz als Designziel

Für ABB liegt der Schlüssel zum Bau effizienter Motoren mit niedrigen Gesamtlebenszykluskosten in der Sicherung einer hohen Qualität in jeder Phase des Designs und der Fertigung. Der Wirkungsrad ist ein Maß für die Fähigkeit eines Motors, elektrische Energie in Nutzarbeit umzuwandeln. Die dabei entstehenden Verluste werden in Form von Wärme abgegeben. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, müssen diese Verluste reduziert werden.

Motorverluste lassen sich in fünf Hauptkategorien einteilen. Zwei dieser Verlustarten – Eisenverluste im Rotor- und Statorblech sowie Lüftungs- und Lagerreibungsverluste – gehören zu den sogenannten Leerlaufverlusten, da sie unabhängig von der Last immer konstant bleiben. Zu den Lastverlusten, die mit der Last variieren, gehören Kupferverluste im Stator, Rotorverluste und lastabhängige Zusatzverluste /Infobox 1. Sämtliche Motorverluste können durch konstruktive Maßnahmen, d. h. durch die Qualität des Design- und Fertigungsprozesses beeinflusst werden.

Eisenverluste entstehen durch die Energie, die beim Ummagnetisieren der Bleche aufgebracht werden muss. Diese Verluste lassen sich durch Verwendung von hochwertigerem Eisen und durch Verlängerung der Blechpakete (zur Reduzierung der Magnetflussdichte) senken.

Lüftungs- und Reibungsverluste entstehen durch Luftwiderstand und Lagerreibung. In hochwertigen Motoren werden diese durch verbesserte Lager und Dichtungen sowie eine optimierte Luftströmung und ein verbessertes Lüfterdesign reduziert. Der Lüfter muss groß genug sein, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, darf aber nicht zu groß ausfallen, da sonst seine Effizienz beeinträchtigt wird und der Geräuschpegel steigt. Die Motoren von ABB verfügen – je nach Modell – über Lüfter mit unterschiedlichen Flügelgrößen und -orientierungen, um ein optimales Ergebnis zu gewährleisten.

Bei den lastabhängigen Verlusten werden die Kupferverluste im Stator (auch I2R -Verluste genannt) durch die Erwärmung der Statorwicklung infolge des Stromflusses in den Spulen hervorgerufen. Dies lässt sich durch Optimierung der Statornut reduzieren. Die Statorbleche sollten aus verlustarmem Eisen bestehen und so gleichmäßig und dünn wie möglich sein, um eine maximale Magnetfeldstärke zu gewährleisten. Ferner sollten sie sorgfältig geschichtet werden, um möglichst gerade Kanäle zu erhalten. Allerdings sind dünne Bleche teuerer in der Herstellung als dickere, und für eine präzise Ausrichtung sind speziellere Fertigungsverfahren notwendig.

Rotorverluste werden durch Rotorströme und Eisenverluste verursacht. Bei hocheffizienten Motoren werden diese Verluste mithilfe größerer Rotorstäbe und Kurschlussringe (zur Senkung des Widerstands) reduziert. Lastabhängige Zusatzverluste sind die Folge von Streuflüssen, die durch die Lastströme erregt werden. Diese lassen sich durch eine verbesserte Nutgeometrie reduzieren.

Höhere Zuverlässigkeit durch niedrigere Temperaturen

Bei Motoren, die nur gelegentlich oder in unkritischen Anwendungen betrieben werden, steht die Zuverlässigkeit nicht unbedingt an oberster Stelle. Selbstverständlich ist ein Ausfall immer ärgerlich, doch in diesem Fall sind die Folgen häufig nicht so schwerwiegend. In einigen Industriezweigen und Prozessen hingegen hat eine hohe Zuverlässigkeit oberste Priorität. In kontinuierlichen Prozessen – z. B. in Kühlanlagen der Öl- und Gasindustrie oder bei Antrieben von Papiermaschinen – müssen ungeplante Ausfälle um jeden Preis vermieden werden. Schon ein Stillstand von wenigen Minuten kann hier so teuer werden wie ein neuer Motor.

Zuverlässigkeit ist auch ein bedeutender Faktor für OEM-Hersteller, die Elektromotoren in ihre eigenen Produkte einbauen. Fällt ein solcher Motor aus, gilt das Produkt des Herstellers als unzuverlässig und sein guter Ruf leidet darunter. Bei der Zuverlässigkeit gilt für ABB das gleiche Prinzip wie in puncto Effizienz: Auch hier ist Qualität der Schlüssel zum Erfolg. Dies gilt besonders für das verwendete Material. Da mit rund 55 % mehr als die Hälfte der Kosten für einen Motor auf das Material entfallen, ist die Versuchung groß, dort zu sparen, um den Preis des Motors zu drücken, was sich jedoch entscheidend auf die Zuverlässigkeit auswirkt.

Die beiden häufigsten Ursachen für Motorausfälle sind Lager- und Wicklungsschäden, d. h. diese Komponenten spielen eine zentrale Rolle für die Gesamtzuverlässigkeit eines Motors. Sowohl im Fall der Lager als auch bei den Wicklungen hat die Betriebstemperatur im Motor den größten Einfluss auf ihre Lebensdauer. Bei hochwertigen, effizienten Motoren beträgt die normale Erwärmung bei Volllast 60 bis 80 °C, während es bei weniger hochwertigen Motoren bis zu 100 °C sein können. Nur Motoren, die für einen größeren Temperaturanstieg ausgelegt sind und über eine geeignete Isolierung verfügen, können einer höheren Belastung länger standhalten.

Um eine bestmögliche Zuverlässigkeit sicherzustellen, sollten möglichst hochwertige Lager verbaut werden. Dabei muss nicht nur die Art der Anwendung und die jeweilige Last berücksichtigt, sondern auch eine geeignete Schmierung sichergestellt werden. Da hohe Temperaturen die Wirkung von Schmierfett beeinträchtigen, sollte ein übermäßiger Temperaturanstieg vermieden werden. Bei einer Senkung der Betriebstemperatur um 10 bis 15 °C verdoppelt sich – zumindest theoretisch – die Lebensdauer der Lagerschmierung.

Übermäßige Motorinnentemperaturen wirken sich auch auf die Lebensdauer der Wicklungen aus. In diesem Fall ist es die Isolierung der Kupferdrähte, die durch die hohen Temperaturen beeinträchtigt wird. Ein Anstieg der Betriebstemperatur von 10 °C kann die Lebensdauer der Wicklung halbieren. Aus diesem Grund werden die meisten Motoren mit einer Isolierung der Klasse F (155 °C) ausgestattet, betriebsmäßig aber nur für die Klasse B (130 °C) beansprucht. Die Erwärmung ist ein Aspekt der Leistungsfähigkeit eines Motors, an dem ständig weiter geforscht wird.

Ein weiterer Faktor, der für die Zuverlässigkeit der Wicklung eine Rolle spielt, ist die Festigkeit. Sie ist ein Maß für das Widerstandsvermögen der Wicklung gegen hohe Spannungen. Die normale Spannungsfestigkeit von Wicklungen beträgt ca. 1.200 V, es können aber auch Motoren mit einer Spannungsfestigkeit von 1.400 V und mehr hergestellt werden, wenn die Wicklung höheren Spannungsspitzen standhalten muss ist, wie sie zum Beispiel bei einigen drehzahlgeregelten Antrieben erzeugt werden.

Dabei sollte stets beachtet werden, dass die Zuverlässigkeit je nach Einsatzbereich des Motors einen anderen Stellenwert haben kann. In der Öl- und Gasindustrie zum Beispiel steht die Sicherheit für den Betreiber an erster Stelle. Motoren werden häufig unter rauen Bedingungen eingesetzt, wo sie extremer Hitze oder Kälte, Staub und Feuchtigkeit ausgesetzt sind. ABB verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Herstellung von Motoren sowohl für gewöhnliche Industrieumgebungen als auch für den Einsatz unter extremen Bedingungen. Diese Erfahrung fließt in die Entwicklung und Fertigung hochwertiger Motoren ein, die nicht nur definierte Anforderungen und Sicherheitsvorgaben erfüllen, sondern auch über ihre gesamte Lebensdauer hinweg effizient und zuverlässig arbeiten.

Hochwertige Motoren leisten mehr

Als die „Arbeitspferde“ der modernen Industrie können Elektromotoren bei den Bemühungen um eine Reduzierung des Energieverbrauchs und des Kohlendioxidausstoßes eine wichtige Rolle spielen. Laut Schätzungen werden 65 % der erzeugten elektrischen Energie in der Industrie von Elektromotoren verbraucht. Zur Erzeugung derselben Energie werden jährlich 37 Millionen Tonnen CO2 produziert. Angesichts dieser Zahlen hätte selbst eine kleine Steigerung des Wirkungsgrads jedes Motors global gesehen eine günstige Wirkung.

Der Wirkungsgrad ist nur ein Qualitätsmerkmal eines Motors, und die Energiekosten machen nur ein Teil der Gesamtlebenszykluskosten aus. In manchen Anwendungen spielen die Zuverlässigkeit und die damit verbundenen Instandhaltungskosten bzw. Ausfallzeiten eine zentrale Rolle. Dank langjähriger Erfahrung ist ABB in der Lage, optimale Motoren hinsichtlich Betriebsverhalten, Wirkungsgrad, Gewicht, Erwärmung, Geräuschen und Schwingungsverhalten zu bauen. Das Ergebnis sind hochwertige Motoren, die sich durch minimale Lebenszykluskosten und eine hervorragende Gesamtleistung auszeichnen.

Leerlaufverluste Eisenverluste im magnetischen Material 18 %

Lüftungs- & Reibungsverluste 10 %

Lastverluste Stromwärmeverluste im Stator 34 %

Stromwärmeverluste im Rotor 24 %

Zusatzverluste 14 %

Um eine optimale Zuverlässigkeit des Motors zu gewährleisten, sollten die Lager:

  • • von hoher Qualität sein
  • • entsprechend der Last und Drehzahl dimensioniert sein
  • • ein für die Betriebstemperatur geeignetes Innenspiel besitzen
  • • mit einem für die Betriebstemperatur ausgelegten Fett geschmiert werden
  • • nachschmierbar oder wenn möglich wartungsfrei sein
  • Neuwicklung vermeiden
  • Die Neuwicklung von Elektromotoren führt normalerweise zu einer Reduzierung des Wirkungsgrads. Bei Motoren über 30 kW kann sich der Wirkungsgrad um 1 %, bei kleineren Motoren um 2 % verschlechtern. Bei hochwertigen Motoren fällt die Reduktion des Wirkungsgrads weniger stark aus als bei Motoren geringerer Qualität.
  • Überdimensionierung vermeiden
  • Aus den verschiedensten Gründen bieten einige Hersteller überdimensionierte Motoren an. Feldversuche in der Industrie haben gezeigt, dass die meisten Motoren im Durchschnitt nur mit 50–60 % ihrer Nennlast betrieben werden, was – neben anderen Nachteilen – unwirtschaftlich ist (Teillasteffizienz). Der Austausch von deutlich unter der Nennlast betriebenen Motoren gegen kleinere, effizientere Typen trägt im Allgemeinen zur Verbesserung der Gesamteffizienz bei.
  • Drehzahlgeregelte Antriebe verwenden
  • Der Einsatz eines hocheffizienten Motors ist weniger vorteilhaft, wenn der Rest des Antriebssystems ineffizient arbeitet. In vielen Pumpen- und Lüfteranwendungen wird der Durchsatz noch immer über Drosselklappen geregelt. Motoren auch dann mit voller Drehzahl zu betreiben, wenn nur geringere Drehzahlen benötigt werden, ist extrem unwirtschaftlich. Drehzahlgeregelte Antriebe ermöglichen eine optimale Regelung der Drehzahl, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt. Eine kürzlich an der Universität von Lappeenranta in Finnland durchgeführte Studie hat gezeigt, dass sich durch den Einsatz von elektrischen Antrieben in parallelen Pumpensystemen Energieeinsparungen von bis zu 70 % erzielen lassen. Neben Elektromotoren ist ABB auch ein führender Anbieter von drehzahlgeregelten Antrieben.

Roelof Timmer, ABBOy, Automation Technologies, Helsinki, Finnland, und Mikko Helinko sowie Ritva Eskola, ABB Oy, Motors, Vaas, Finnland.

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