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Permanentmagnetmotor Energieeffizienter mit Permanentmagnetmotoren

| Autor / Redakteur: Michael Burghardt / Stefanie Michel

Energieeffizienz, reduzierte Emissionen von Treibhausgasen, geringerer Energieverbrauch – Schlagworte, die zur Zeit zu vielen und kontroversen Diskussionen führen. Einig sind sich alle: der Verbrauch soll gesenkt werden. Doch wie? Wegen ihres hohen Wirkungsgrads bieten sich Permanentmagnetmotoren an. Danfoss zeigt, wann sich EC-Motoren und wann sich Permanentmagnet-Synchronmotoren besser eignen.

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Permanentmagnetmotor mit Innenläuferbauweise: der sich drehende Rotor liegt im Inneren des Stators.
Permanentmagnetmotor mit Innenläuferbauweise: der sich drehende Rotor liegt im Inneren des Stators.
(Bild: Danfoss )

Die elektrische Antriebstechnik stellt eine der Schlüsseltechnologien bei Maschinen und Anlagen dar. Sie ist die schnellste und derzeit effektivste Möglichkeit, den Energieverbrauch zu senken. Dabei verteilt sich das gesamte Einsparpotenzial eines Antriebs auf drei Bereiche: 10 Prozent der Einsparungen lässt sich durch effizientere Motoren erreichen, weitere 30 Prozent mit Einsatz elektronischer Drehzahlregelung im Bereich der Antriebe. Das größte Potenzial stellt allerdings die Optimierung von Prozessen und Abläufen in der Anlage dar, die oft erst durch Drehzahlreglung möglich werden.

So ist es nicht verwunderlich, dass Anlagenbauer und -betreiber nach immer neuen Wegen suchen, mit modernster Motor- und Frequenzumrichtertechnik ihre Anlagen so energieeffizient wie möglich zu gestalten.

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Permanentmagnetmotoren für mehr Effizienz

Für mehr Effizienz in Anlagen kamen bisher – abhängig von der benötigten Leistung – unterschiedliche Motortechnologien zum Einsatz. Im Leistungsbereich bis etwa 0,75 kW setzen Anlagenbauer aus Kostengründen oft Motoren mit aufgrund ihrer Bauform schlechterem Wirkungsgrad ein. Mit steigender Leistung dominierte dann aber der Standard-Drehstromasynchronmotor.

Eine Alternative entwickelte sich mit dem permanenterregten Synchronmotor. Durch sinkende Preise und hohen Wirkungsgrad setzten sich diese vor allem im niedrigen Leistungsbereich durch.

Generell fallen Motoren mit Permanentmagenten unter den Oberbegriff PM (Permanent Magnet). Je nach Branche sind verschiedene Namen und Abkürzungen für die verschiedenen PM-Unterarten üblich. In industriellen Anwendungen kommen meist PMSM (Permanent Magnet Synchron Motor) zum Einsatz. Obwohl diese Motoren je nach Bauart andere Bezeichnungen haben, werden sie allgemein oft als "PM-Motoren" bezeichnet.

Kommen in der Gebäudeautomation PM-Motoren zum Einsatz, sind es heute in den meisten Fällen BLDC (Brush Less Direct Current). In der Praxis begegnet ihnen der Anwender unter dem Begriff "EC-Motor" (Electronically Commutated).

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Mit steigender Leistung nähern sich Wirkungsgrade von Asynchron- und PM-Motoren an

Allen diesen PM-Motoren ist gemein, dass sie eine Regelelektronik benötigen, um den Motor zu betreiben. Mittlerweile bieten Hersteller auch PM-Motoren an, die am Netz anlaufen können. Sie benötigen hierfür aber eine Hilfswicklung die sich in einem höheren Preis und einem schlechteren Wirkungsgrad niederschlägt.

Durch die eingesetzten Permanentmagnete ist der Wirkungsgrad eines solchen Motors typisch um 1 bis 10 Prozent besser als der eines Drehstromasynchronmotors. Abhängig ist dies von der Güte des Asynchronmotors und dem betrachteten Leistungsbereich. Mit steigender Leistung nähern sich die Wirkungsgrade beider Motortypen an. In den Veröffentlichungen einiger Hersteller wird gerne der Vergleich zu den ineffizienteren Spaltpolmotoren oder anderen spannungssteuerbaren Motoren im Leistungsbereich unter 1 kW verwendet. Der Wirkungsgradvorteil ist entsprechend wesentlich höher.

Deshalb verwundert es nicht, dass es einen Trend zu permanenterregten Synchronmotoren gibt, egal ob als EC- oder PM-Motoren bezeichnet. Allerdings haben alle eingesetzten Motoren ihre Vor- und Nachteile. Im Folgenden bezeichnet der Begriff „EC“ die BLDC-, die Bezeichnung „PM“ die PMSM-Motoren und deren Varianten.

Mindestwirkungsgradklassen – das neue Maß der Dinge für den Asynchronmotor

In Europa regelt die EU-Verordnung (EG) Nr. 640/2009 verbindliche Mindestwirkungsgradklassen (Minimum Efficiency Performance Standards = MEPS) für Drehstromasynchronmotoren. Sie sieht bis 2017 eine schrittweise Erhöhung der Anforderungen an die Motorwirkungsgrade vor. Die Einführung der MEPS soll zur Energieeinsparung beitragen. Sie gilt nur für neue Drehstromasynchronmotoren, die nach den Stichtagen in der EU in Verkehr gebracht werden. Für bestehende Installationen gibt es einen Bestandschutz.

Als Alternative zu der hohen IE3-Klasse lässt die Verordnung umrichtergespeiste IE2-Motoren zu, da eine Drehzahlregelung oft mehr Energie spart, als durch eine Erhöhung des Wirkungsgrads einer einzelnen Komponente.

Um den Wirkungsgrad der Drehstromasynchronmotoren oberhalb der Klasse IE3 zu optimieren, ist ein sehr hoher, und damit sehr teurer Aufwand nötig. Eine Alternative sind hier die EC- und PM-Motoren. Zum einen fallen die Motoren nicht unter die aktuelle Richtlinie, zum anderen senken sie mit ihrem hohen Wirkungsgrad die Betriebskosten des Anwenders.

Permanent erregte Motoren brauchen keine separate Erregerwicklung

Die Vielfalt und unterschiedliche Benennung der permanent erregten Motoren lässt sich sehr gut am Beispiel EC-Motor darstellen. In industriellen Anwendungen arbeiten EC-Motoren oft als Stell- oder Schrittmotoren in einem Leistungsbereich bis etwa 300 Watt und mit 24 V Versorgungsspannung.

Dies war auch der Einstieg der BLDC-Motoren in die Lüftertechnik. Sie ersetzten einfache Spaltpolmotoren mit schlechtem Wirkungsgrad. Die Hersteller der BLDC-Motoren entwickelten das Prinzip weiter und übertrugen es auf Motoren größerer Leistung. Inzwischen ist der BLDC-Motor bis etwa 6 kW erhältlich.

Durch die eingebauten Dauermagnete benötigen permanent erregte Motoren keine separate Erregerwicklung. Allerdings muss für die Ansteuerung des Motors der Regler immer die aktuelle Position des Rotors kennen. Es gibt zwei Verfahren für diese Bestimmung:

  • Mit Positions-Rückführung: Die aktuelle Rotorposition wird über einen Geber erfasst. Die gängige Bezeichnung für diese Betriebsart ist "Closed Loop".
  • Ohne Positions-Rückführung: Verfügt der Motor über keine Rückführung, muss die Regelelektronik die aktuelle Winkelposition berechnen. Dies geschieht über die Messung und Analyse des Motorstroms. Im Allgemeinen heißt diese Betriebsart "Open Loop" oder "sensorlos".

Permanentmagnet-Synchronmotoren mit Sinuskommutierung

Ein grundlegender Unterschied zwischen EC- und PM- Motor ist die Form der erzeugten GegenEMK. Diese erzeugt ein permanenterregter Motor beim Generatorbetrieb. Für die optimale Kontrolle eines solchen Motors muss der Regler die Form der speisenden Spannung möglichst gut an die Form der GegenEMK anpassen.

Da BLDC-Motoren eine trapezförmige GegenEMK haben, werden sie mit geschalteten Spannungsblöcken versorgt, der so genanten Blockkommuntierung. PMSM haben eine sinusförmige GegenEMK und arbeiten deshalb mit einer sinusförmigen Spannung (Sinuskommutierung).

Aufgrund verschiedener Nachteile der Blockkommuntierung, wie Drehmomentrippel, höhere Eisenverluste oder Geräusche, nutzen immer mehr EC-Motoren ebenfalls die sinusförmige Kommutierung.

Unterschiede zwischen EC- und PM-Motoren

Ein weiteres, klassisches Unterscheidungsmerkmal zwischen PM- und EC-Motoren ist das Verfahren, mit dem sie die Rotorposition bestimmen. Während in der Industrie Geber wie beispielsweise Resolver oder SinCos-Geber zum Einsatz kommen, nutzten die Hersteller von EC-Motoren üblicherweise Hall-Sensoren. Mittlerweile stehen aber für beide Motorvarianten Regelverfahren bereit, die den Motor sensorlos, d.h. ohne Rückführung, betreiben können.

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Der Wirkungsgrad von EC- und PM-Motoren ist auf vergleichbarem Niveau. Der häufig angesprochene große Wirkungsgradvorteil des EC-Motors bezieht sich oft auf die ineffizienteren Spaltpolmotoren oder andere spannungssteuerbare Motore in Klein- und Kleinstmotorenbereich unter 1 kW.

Der offensichtlichste Unterschied vieler EC-Motoren zu PM-Motoren ist die Bauform. Oft steht der Begriff EC-Motor für die kompakte Einheit BLDC Motor in Außenläuferbauweise mit integrierter Regelelektronik. Beim Innenläufer liegt der sich drehende Rotor im Inneren des Stators, der Außenläufer kehrt dieses Prinzip um: Der Stator liegt im inneren des Rotors, der sich um den Stator dreht.

Dagegen herrscht beim PM-Motor die klassische Innenläuferbauweise vor. Neben auf Dynamik optimierte Servomotoren bieten einige Hersteller inzwischen PM-Motoren in IEC-Standardabmessungen an. Durch die wesentlich höhere Energiedichte des PM-Motors im Vergleich zum Asynchronmotor kann ein solcher Motor mit gleicher Leistung bis zu zwei Baugrößen kleiner ausfallen.

Regelverfahren und die Auswirkung auf das Lastverhalten

Ein Vorteil des EC-Motors liegt in der relativ einfachen und kostengünstigen Elektronik. Außerdem können die Hersteller aufgrund der niedrigen Taktfrequenz günstigere IGBT mit höheren Schaltverlusten einsetzen. Um diese günstige Elektronik nutzen zu können, muss der Motor eine trapezförmige Gegenspannung erzeugen. Abweichungen von dieser Form resultieren in den beschriebenen höheren Verlusten und Momentrippeln.

Wie bei der Steuerelektronik des PM-Motors hängt das Betriebsverhalten von den eingesetzten Regelalgorithmen und der benötigten Rechenleistung der Elektronik ab. Dabei haben die aufwendigen Regler der PM-Motoren oft Vorteile. In der Praxis kommt es bei beiden Systemen aber darauf an, wie der jeweilige Hersteller sein System auslegt. Ein definiertes Verhalten wie die Drehzahl-/Drehmomentkurve eines Asynchronmotors gibt es in diesem Sinne nicht.

Arbeitet der Drehstromasynchronmotor direkt am Netz, durchläuft er eine spezifische Kurve, die der Motorhersteller zwar konstruktiv beeinflussen, aber nicht grundlegend ändern kann. Ein EC- oder PM-Motor ohne Elektronik lässt sich nicht am Netz betreiben, erst die Elektronik mit ihren Regelalgorithmen legt sein Lastverhalten fest.

Beste Motortechnologie ist abhängig von Einsatzbereich und Leistung

Permanenterregte Synchronmotoren eignen sind durch ihre hohen Wirkungsgrade für die Gestaltung energetisch optimierter Anlagen. Durch Einsatz von EC-Motoren (BLDC) findet diese Technologie bereits Anwendung in der Gebäudeautomation. Besonders in kleineren Leistungsbereich ist der Wirkungsgradvorteil immens.

Mit steigender Leistung wirken sich allerdings einige Eigenschaften der BLDC-Technologie im Vergleich zu PMSM negativ aus. Aus diesem Grund werden von den Entwicklern Elemente des PMSM, wie z.B. Sinuskommutierung, auf den BLDC-Motor übertragen. In der Praxis sind deshalb die Unterschiede zwischen EC- und PM-Motor oft nur noch akademisch. Die Diskussion reduziert sich dann auf Vor- und Nachteile von Außen- oder Innenläufern und motorintegrierten gegenüber externen Frequenzumrichtern.

In Zukunft werden wohl hauptsächlich 3 verschiedene Motorvarianten anzutreffen sein: Im kleineren Leistungsbereich (bis ca. 0,55/0,75 kW) der EC-Motor mit integrierter Elektronik, im mittleren (bis ca. 11/22 kW) der PM-Motor mit internen oder externen Regler und darüber hinaus der Drehstromasynchronmotor mit Regler.

Eine genaue Abschätzung der Leistungsbereiche ist kaum möglich und die Übergänge werden fließend sein. Einen wichtigen Einfluss auf diese Bereiche werden die Vorteile der einzelnen Motortechnologien im Zusammenspiel mit der genutzten Regelelektronik und ihre Auswirkung auf das Gesamtsystem haben. Neben den Rohstoffpreisen für Kupfer und die benötigten Permanentmagnete wird es auch eine große Rolle spielen, in wie weit es die Hersteller von Drehstromasynchronmotoren schaffen, die Wirkungsgrade ihrer Motoren zu erhöhen.

* Michael Burghardt ist Produktmanager VLT HVAC Drive bei Danfoss in Offenbach/Main.

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