Kompakt informieren
- EC-Motoren sind bezogen auf das Auswahlkriterium Energieeffizienz die beste Wahl. Sie sind jedoch nicht zwangsläufig auf die starken Seltenerdmetall-Magnete angewiesen.
- Ventilatoren mit Motoren nach dem Außenläuferprinzip können die hohen Wirkungsgrade von ECMotoren mit preisgünstigen und preisstabilen Ferritmagneten erreichen.
Für die Hersteller von Elektromotoren werden auch zukünftig die Kosten für Permanentmagnete auf der Basis von Metallen der Seltenen Erden (Seltenerdmetalle) nur schwer kalkulierbar sein. Permanenterregte Elektromotoren, die besonders energieeffizient arbeiten, gelten deshalb in Anwenderkreisen oft als teuer. Nicht zwangsläufig ist aber jeder Elektroantrieb, der mit hohen Wirkungsgraden arbeitet, auch wirklich auf die starken Seltenerdmetall-Magnete angewiesen. EC-Motoren in Außenläuferbauweise beispielsweise, die in energiesparenden Ventilatoren eingesetzt sind, kommen mit „einfachen“ und preisgünstigen und vor allem auch problemlos verfügbaren Ferriten aus und das bei Wirkungsgraden von teilweise über 90 %.
Was ist ein EC-Motor?
Da in der Antriebstechnik die Begriffe nicht unbedingt immer eindeutig und klar definiert gebraucht werden, ist es sinnvoll, zunächst einmal zu klären, von welchen Motoren im Zusammenhang mit der Seltenerdmetall-Diskussion eigentlich die Rede ist. Ob bürstenloser Gleichstromantrieb (BLDC-Motor), bürstenloser Permanentmagnetmotor (BLPM-Motor) oder elektronisch kommutierter (EC-)Motor, gemeint ist immer ein permanenterregter Synchronmotor, der mit einer Leistungselektronik – netzgespeist oder mit Gleichstromversorgung – betrieben wird.
BLDC/BLPM-Motoren werden in der Regel mit rechteckförmigen Strömen betrieben (Blockkommutierung). Die EC-Motoren können sowohl mit rechteckförmigen Strömen als auch mit sinusförmigen Strömen betrieben werden (Sinuskommutierung). Dadurch wird eine deutliche Geräuschverbesserung im Vergleich zu rechteckförmigen Strömen erreicht. Die Ausführung mit sinusförmigen Strömen entspricht dem klassischen Synchronmotor.
Die prinzipielle Funktionsweise des EC-Motors verdeutlicht Abb. 1. 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 sie wird durch die Kommutierungselektronik vorgegeben. Der Betrieb eines 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 bzw. Motorströme. Die Leerlaufdrehzahl ist von der angelegten Spannung und der Windungszahl der Statorwicklung abhängig. So lassen sich in den durch die physikalischen Größen (z.B. Leistung, Drehmoment, Temperatur…) festgelegten Grenzen nahezu beliebige Betriebsdrehzahlen schlupffrei (synchron mit dem Statordrehfeld) realisieren, die im Gegensatz zum netzgespeisten Asynchronmotor auch oberhalb der Netzfrequenz liegen können.
Wird beispielsweise ein Ventilator mit einem EC-Motor betrieben, kann die Drehzahl bedarfsgerecht an die Anforderungen der lüftungstechnischen Anlage oder des Prozesses angepasst werden. Im Teillastbetrieb lässt sich dadurch der Energieverbrauch deutlich senken, weil sich die benötigte Leistung eines Ventilators in der dritten Potenz der Drehzahl ändert. Außerdem weisen EC-Motoren sowohl im Teillastbetrieb als auch bei Volllast einen deutlich höheren Wirkungsgrad als netzgespeiste AC-Motoren auf Abb. 2, und das bei meist kleinerer Baugröße. Der Grund dafür ist, dass bei den EC-Motoren kein Magnetisierungsstrom benötigt wird, die Stromwärmeverluste des Rotors wegfallen und die Möglichkeit besteht, eine spezielle Wicklungsanordnung mit geringem Wickelkopfanteil (Einzelzahnwicklung / Zahnspulenwicklung) zu realisieren. Auch wenn die Seltenerdmetall-Magnet-Diskussion EC-Motoren belastet, sind sie in puncto Energieeffizienz einfach die beste Wahl.
Magnetwahl nach Dynamikanforderung
Nicht zwangsläufig ist man bei EC-Motoren auf die starken Seltenerdmetall-Magnete angewiesen. Ihre hohe magnetische Güte ist eigentlich nur bei hochdynamischen Servoantrieben vonnöten, wie sie z.B. in der Robotik eingesetzt sind. 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 Seltenerdmetall-Magneten realisierbar. Hersteller solcher Servoantriebe konzentrieren sich deshalb heute vor allem darauf, durch vielschichtige Optimierungen die benötigte Magnetmasse bzw. -höhe zu reduzieren und haben hier schon beachtliche Einsparungen erreicht.
Der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst ist bei seinen mit energieeffizienten GreenTech EC-Motoren ausgestatteten Ventilatoren von dieser Problematik überhaupt nicht betroffen. Diese Antriebe kommen trotz ihrer hohen Wirkungsgrade ohne Seltenerdmetall-Magnete aus. Den Schlüssel dazu liefert das Außenläuferprinzip.
Der Rotor liegt außen
Hier befindet sich der ruhende Teil des Motors, der Stator, im Innern und ist vom bewegten Teil, dem Rotor oder Läufer, umschlossen Abb. 3. Der außen angeordnete Rotor dreht sich um den innen liegenden Stator. Allein durch diese Anordnung bedingt, kann mit dem Außenläufer ein höheres Drehmoment (Magnetvolumen, Luftspaltfläche, Radius) erreicht werden als bei einem Innenläufer mit gleicher Paketlänge, mit gleichem Magnetsystem und gleicher Magnetdicke (reduziertes Magnetvolumen, reduzierte Luftspaltfläche, kleinerer Radius).
Durch geschickte Nutzung der Freiheitsgrade im Ventilator- und Lüfterbereich können mit dem Außenläufermotor bei Verwendung von Hartferriten Drehmomente und Wirkungsgrade erzielt werden, die der Innenläufer mit eingeschränkten Freiheitsgraden (Volumen, Masse) nur mit SeltenerdmetallMagneten erreichen kann. Im Gegensatz zu Servoantrieben ist bei Ventilatoren keine hohe Dynamik gefragt, sondern sogar ein gewisses Trägheitsmoment für ein ruhiges Anlauf- und Beschleunigungsverhalten der Ventilatoren erwünscht. Die Ferrite sind deutlich preiswerter als Seltenerdmetall-Magnete, ihre hohe Verfügbarkeit garantiert zudem stabile Marktpreise.
Der Motoraufbau als Außenläufer ist für Ventilatoren auch in anderer Hinsicht vorteilhaft. So können die Axialflügel oder Radialräder am drehenden Rotor, also direkt am „Gehäuse“ des Motors befestigt werden Abb. 4. Kompakte Abmessungen vor allem in axialer Richtung sind die Folge und die Kühlung vereinfacht sich, da der Motor durch die vom Ventilator geförderte Luft gleich mitgekühlt wird. Ausführungen mit Sinuskommutierung sorgen zudem für einen besonders geräuscharmen Betrieb. Die energieeffizienten GreenTech EC-Ventilatoren sind damit völlig unabhängig von der Preisentwicklung der Seltenerdmetall-Magneten. •
Hätten Sie das gewusst?
Zu den Metallen der Seltenen Erden gehören 17 Elemente. Der Name der Gruppe geht auf die Entdeckung der Elemente in seltenen Mineralien und der Isolierung in Form ihrer Oxide (früher „Erden“) zurück. Nur das zu den Metallen der Seltenen Erden gehörende radioaktive Element Promethium kommt in der Erdkruste wirklich selten vor. Cer (43 ppm), Yttrium (26 ppm) und Neodym (22 ppm) kommen in der Erdkruste häufiger als Blei (18 ppm) und Molybdän (14 ppm) vor. Selten sind jedoch größere Lagerstätten von geeigneten Mineralien. Die Elemente kommen zumeist nur in kleinen Mengen in weit verstreut lagernden Mineralien sowie als Beimischungen in anderen Mineralien vor. Ein Großteil der industriellen Gewinnung von Seltenerdmetallen geschieht deswegen als Nebenprodukt bei der Gewinnung anderer, stärker konzentriert vorliegender Metalle.
Dr. Jürgen Schöne
ist R&D Director Aerodynamik und Motortechnologie bei ebm-papst Mulfingen, http://www.ebmpapst.com
Werner Müller ist Abteilungsleiter Motorentwicklung bei ebm-papst Mulfingen, http://www.ebmpapst.com
