gesponsertKompakt integrieren Warum Kühlung, Regelung und Motorgeometrie bei kompakten Aggregaten gemeinsam betrachtet werden sollten

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WEG Germany GmbH

Je kompakter Maschinen werden, desto stärker greifen Antrieb, Kühlung, Regelung und mechanische Integration ineinander. Entscheidend ist deshalb nicht nur die Auslegung einzelner Komponenten, sondern ihr Zusammenspiel im Gesamtsystem. Der Beitrag zeigt, welche konstruktiven Spielräume integrierte EC-Antriebe dabei eröffnen können.

Mit zunehmender Integrationsdichte steigen auch die Anforderungen an den Antrieb: Er soll wenig Bauraum beanspruchen, unterschiedliche Betriebspunkte abdecken und effizient arbeiten. Besonders deutlich wird dieser Zielkonflikt bei Ventilations- und Kühlsystemen, etwa in Air-Handling-Units, Radialventilatoren oder Anlagen zur Rechenzentrumskühlung.

Die grundlegende konstruktive Aufgabe reicht jedoch darüber hinaus. Auch bei Pumpen, Kompressoren oder anderen kompakten Maschinen beeinflussen neben den äußeren Abmessungen des Motors weitere Faktoren den tatsächlich erforderlichen Bauraum: Wie wird der Motor gekühlt? Wo befindet sich die Leistungselektronik? Welche Verkabelung ist notwendig? Welche Befestigungsmöglichkeiten stehen zur Verfügung? Und in welchem Drehzahlbereich muss der Antrieb zuverlässig arbeiten?

Damit wird die Motorauswahl zunehmend zu einer Frage der Antriebsarchitektur. Ein kleiner Motor führt nicht automatisch zu einer kompakten Maschine, wenn für Kühlung, Elektronik oder Montage zusätzlicher Raum erforderlich ist. Konstrukteure müssen deshalb stärker betrachten, wie die einzelnen Funktionen zusammenspielen.

Wenn der Prozess die Motorkühlung beeinflusst

Ventilatoren veranschaulichen eine dieser Wechselwirkungen besonders gut. Wird die Drehzahl an den tatsächlichen Luftbedarf angepasst, reduziert sich der Prozessluftstrom. Nutzt der Motor diesen Luftstrom gleichzeitig zur Wärmeabfuhr, verändern sich mit dem Betriebspunkt auch seine thermischen Bedingungen.

Bei der Auslegung ist dann zum einen zu berücksichtigen, welches Drehmoment der Motor bei reduzierter Drehzahl bereitstellt. Zum anderen muss sichergestellt werden, dass unter diesen Bedingungen weiterhin genügend Kühlluft zur Verfügung steht. Dies kann den möglichen Einbauort und den nutzbaren Regelbereich beeinflussen.

Eine Option, diese Abhängigkeit zu verringern, besteht darin, die Kühlung als eigene Funktion in den Antrieb zu integrieren. Beim W30Slim Smart EC, einem elektronisch kommutierten Permanentmagnetantrieb von WEG, sitzt dazu ein Lüfter zwischen dem Motor und der integrierten Antriebselektronik. Für die Kühlung ist der Antrieb damit nicht auf einen zusätzlichen Luftstrom der Anwendung über Motor und Elektronik angewiesen. Das erweitert insbesondere bei niedrigen Drehzahlen oder eingeschränkter Luftzirkulation den konstruktiven Spielraum. Der Antrieb ist so ausgelegt, dass er bis auf etwa 5 Hz heruntergeregelt werden kann und die erforderliche Kühlleistung weiterhin zur Verfügung steht.

Thermische Randbedingungen müssen dennoch berücksichtigt werden. Umgebungstemperatur, Belastung und Einbausituation spielen weiterhin eine Rolle. Die Wärmeabfuhr hängt allerdings nicht zwangsläufig mit der Luftführung des jeweiligen Prozesses zusammen. Gerade bei Ventilatoren ist dieser Zusammenhang besonders anschaulich. Das Prinzip lässt sich aber auch auf andere Anwendungen übertragen.

Welche Abmessung begrenzt die Maschine?

Ähnliches gilt für die Motorgeometrie. In der Praxis ist „kompakt“ kein eindeutiger Maßstab. Je nach Maschine können Durchmesser, axiale Länge oder die Position der Anschlüsse zum entscheidenden Engpass werden.

Bei Radialventilatoren geht es deshalb nicht allein darum, den Motor möglichst klein auszulegen. Entscheidend ist, wie viel axialen Bauraum der Antrieb innerhalb des gesamten Ventilatoraggregats beansprucht. Eine kurze Motorbauform kann es ermöglichen, den Antrieb näher am Laufrad anzuordnen und gleichzeitig mehr konstruktiven Spielraum für eine aerodynamisch günstige Ventilatorgeometrie zu erhalten. Beim W30Slim ist die kurze axiale Bauform gezielt auf diese Anforderung ausgelegt: Sowohl die Ausführung mit 305 mm als auch die mit 365 mm Außendurchmesser weist eine axiale Motorbaulänge von 175 mm auf.

Das Beispiel zeigt, warum ein reiner Vergleich einzelner Außenmaße zu kurz greift. Für die Konstruktion ist entscheidend, in welcher Richtung der verfügbare Bauraum tatsächlich begrenzt ist und wie sich die Geometrie des Antriebs auf die übrigen Komponenten auswirkt. Hinzu kommt die Befestigung: Unterschiedliche Maschinenkonzepte verlangen unterschiedliche Möglichkeiten, den Antrieb mechanisch aufzunehmen. Die W30Slim-Baureihe deckt mit den zwei Außendurchmessern von 305 und 365 mm einen Leistungsbereich von 1,1 bis 7,5 kW ab. Für unterschiedliche Einbausituationen stehen für beide unter anderem Pad- und Spider-Montage sowie Flanschvarianten nach IEC FF beziehungsweise NEMA C zur Verfügung.

Der konstruktive Nutzen entsteht damit nicht aus einem einzelnen Maß. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Motorgeometrie, Befestigung und der Architektur des gesamten Aggregats.

Elektronik als Bestandteil des Antriebs

Eine weitere Frage betrifft die Drehzahlregelung. Bei einer klassischen Antriebsarchitektur werden Motor und Frequenzumrichter als getrennte Komponenten in die Maschine integriert. Neben dem Platz für den Motor muss dann auch Raum für die Leistungselektronik und die elektrische Verbindung zwischen beiden vorgesehen werden.

Bei elektronisch kommutierten Antrieben übernimmt die Elektronik die Kommutierung und Drehzahlregelung des Permanentmagnetmotors. Beim W30Slim ist sie direkt in die Motoreinheit integriert. Für die Drehzahlvorgabe stehen unter anderem 0 bis 10 V, 4 bis 20 mA, Pulsweitenmodulation und Modbus zur Verfügung. Hinzu kommen Funktionen für Run/Stop, Drehrichtungswechsel, Drehzahlrückmeldung und Fehlermeldung.

Für den Maschinenbauer verschiebt sich damit ein Teil der Integrationsaufgabe. Statt Motor und Umrichter separat zusammenzuführen, wird eine bereits funktional abgestimmte Einheit in das Maschinenkonzept eingebunden. Die konstruktive Aufgabe konzentriert sich stärker darauf, die mechanischen und elektrischen Schnittstellen des Antriebs an die jeweilige Anwendung anzupassen.

Dieser Ansatz ist nicht auf Ventilationssysteme beschränkt. Es lohnt sich überall dort, wo ein geregelter Antrieb auf begrenztem Raum eingesetzt wird, früh zu klären, ob Motor und Elektronik getrennt oder als integrierte Einheit ausgeführt werden.

Effizienz im realen Betrieb betrachten

Auch bei der Energieeffizienz reicht der Blick auf einen einzelnen Kennwert nicht aus. Der W30Slim erreicht IE5-Effizienzniveau und liegt je nach Ausführung darüber. Eine rechnerische Fortschreibung der Abstände zwischen den bestehenden Effizienzklassen ergibt Werte auf einem als „IE6“ bezeichneten Niveau; IE6 ist derzeit jedoch keine offiziell definierte Effizienzklasse. Der Antrieb ist für Dauerbetrieb S1 ausgelegt. Der spezifizierte Umgebungstemperaturbereich reicht standardmäßig von -25 bis 50 °C; bis 60 °C ist ein Betrieb mit entsprechender Leistungsreduzierung möglich. Die Schutzart beträgt standardmäßig IP55 und optional IP66.

Für die Energieeffizienz der kompletten Maschine kommt es jedoch ebenso darauf an, wie der Antrieb betrieben wird. Bei Ventilatoren und Pumpen beispielsweise kann eine bedarfsgerechte Drehzahlregelung den Betrieb an wechselnde Prozessanforderungen anpassen. Bei anderen Anwendungen bestimmen wiederum andere Lastprofile den tatsächlichen Energiebedarf.

Motorwirkungsgrad, Leistungselektronik, Regelstrategie und Dimensionierung sollten deshalb gemeinsam betrachtet werden. Bei Ventilatoren unterstreicht auch die regulatorische Entwicklung diese Systemperspektive. Die seit Juli 2026 geltende EU-Ökodesign-Verordnung (EU) 2024/1834 für Ventilatoren verschärft die Effizienzanforderungen auf Ebene des Ventilators. Ab Juli 2027 kommen für viele Produkte zusätzliche Informationsanforderungen zum Betriebsverhalten bei unterschiedlichen Drehzahlen hinzu.

Ein hoher Motorwirkungsgrad ist wichtig, reicht für die Bewertung der Gesamteffizienz einer Maschine jedoch nicht aus. Entscheidend ist das Zusammenspiel von Motor, Leistungselektronik, Regelstrategie und tatsächlichem Betriebsprofil.

Schlüsselfragen vor der Motorauswahl

Für Konstrukteure ergibt sich daraus folgende Konsequenz: Die Auswahl des Antriebs sollte nicht bei einer vorgegebenen Motorbaugröße beginnen, sondern bei den Randbedingungen der Maschine.

Dabei helfen einige grundlegende Fragen: Welche Abmessung begrenzt die Konstruktion tatsächlich? Wie wird der Motor über den gesamten vorgesehenen Betriebsbereich gekühlt? Welche Drehzahl- und Drehmomentbereiche sind erforderlich? Wie und wo wird die Leistungselektronik integriert? Welche mechanischen und elektrischen Schnittstellen benötigt die Maschine?

Die Antworten unterscheiden sich je nach Anwendung. Bei einem Ventilator kann die Unabhängigkeit der Motorkühlung vom Prozessluftstrom entscheidend sein. Bei einem Pumpen- oder Kompressoraggregat fallen unter Umständen Einbaulänge, Montage oder die Integration der Elektronik stärker ins Gewicht.

Der W30Slim zeigt beispielhaft, wie sich mehrere dieser Anforderungen in einem Antrieb zusammenführen lassen: eigenständige Kühlung, kurze axiale Bauform, integrierte Regelung und unterschiedliche Montagemöglichkeiten. Der zugrunde liegende konstruktive Ansatz geht jedoch über das einzelne Produkt hinaus. Je früher Motor, Elektronik, Kühlung und mechanische Integration als Teile einer gemeinsamen Maschinenarchitektur betrachtet werden, desto größer ist der Spielraum, das Antriebssystem passend zur Anwendung auszulegen.