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Elektromotor Synchron-Reluktanzmotor erreicht Wirkungsgrad IE5

Redakteur: Ute Drescher

Synchron-Reluktanzmotoren bieten große Chancen, die Energieeffizienz des Gesamtsystems zu steigern. Jetzt hat VEM ihre Nachteile wettgemacht.

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Aufgrund der optimierten Motortechnologie kann im Bauraum einer IE3-Asynchronmaschine nun eine IE5-Synchronreluktanzmaschine mit der identischen Umrichterbaugröße zusammenwirken.
Aufgrund der optimierten Motortechnologie kann im Bauraum einer IE3-Asynchronmaschine nun eine IE5-Synchronreluktanzmaschine mit der identischen Umrichterbaugröße zusammenwirken.
(Bild: VEM Sachsenwerk)

Seit 1923 ist das Funktionsprinzip von Synchron-Reluktanzmotoren in der Theorie bekannt. Im Vergleich zu anderen Typen elektrischer Maschinen, wie beispielsweise der Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer, gelang der Durchbruch im Massenmarkt jedoch nicht. Seit etwa einem Jahrzehnt aber verändern sich die Bedingungen zugunsten der Synchron-Reluktanzmotoren: Sie punkten zunehmend mit einer hohen Energieeffizienz, Robustheit sowie einer guten Dynamik. Und: Sie verzichten dabei auf seltene Erden. Die angewandte Forschung treibt diese Eigenschaften zusätzlich weiter voran. Vor allem bei Anwendungen wie Pumpen und Lüfter bieten sich Chancen, die Energieeffizienz des Gesamtsystems deutlich zu steigern – allein, indem Änderungen am Motor vorgenommen werden.

Forderungen werden schärfer

Um angesichts des Klimawandels und des verantwortungsvollen Umgangs mit Ressourcen die Energieeinsparung voranzutreiben und den CO2-Ausstoß zu verringern, hat die EU ihre Ziele in der Klimapolitik überarbeitet. Die Treibhausgas-Emissionen in Europa sollen bis 2030 um mindestens 40 % gegenüber 1990 gesenkt werden, der Anteil der erneuerbaren Energien am Gesamtmix auf 27 % gesteigert und der Endenergieverbrauch um 27 % verringert werden.

Dazu wurde 2018 ein neues Gesetzespaket verabschiedet, das eine Steigerung der Energieeffizienz um 30 % gegenüber 2005 vorsieht. Die Vorgaben umfassen höhere Anforderungen an die Energieeffizienz für netzgespeiste Induktionsmotoren und Frequenzumrichter. Die bisherige Verordnung VO (EG) 640/2009 wird zum 30.06.2021 aufgehoben und durch eine neue Verordnung (EU) 1781/2019 ersetzt. Ab 1. Juli 2021 soll dies in zwei Phasen marktwirksam umgesetzt werden. Hersteller und deren Kunden haben somit rund anderthalb Jahre Zeit, um ihre Produkte den neuen gesetzlichen Anforderungen anzupassen. Gleichzeitig ist ein Absinken des Preisniveaus von elektrischer Energie, beispielsweise durch die Einführung einer CO2-Steuer, nicht zu erwarten.

Als Alternativen mit noch höherem Energiesparpotenzial kommen verschiedene Motortechnologien in Frage, die die Effizienzklassen IE4, beziehungsweise IE5 gemäß IEC TS 60034-30-2 erreichen und die Leistungsabgabe an den tatsächlichen Bedarf anpassen.

Nachteile wettgemacht

Zu den größeren Nachteilen von Synchron-Reluktanzmotoren gehörte bislang, dass sie einen niedrigeren Leistungsfaktor als Kurzschlussläufer-Asynchronmaschinen aufwiesen. Damit benötigten sie einen etwas größeren Frequenzumrichter. Das führte zu einer deutlichen Preissteigerung, die sich über die bessere Energieeffizienz nur über einen längeren Zeitraum amortisieren ließ. Darüber hinaus war zusätzlich zur Bestimmung der Rotorposition ein ebenfalls preisintensiver Geber notwendig.

Der Rotor von Synchron-Reluktanzmaschinen weist weder Permanentmagnete noch Aluminium oder Kupfer auf.
Der Rotor von Synchron-Reluktanzmaschinen weist weder Permanentmagnete noch Aluminium oder Kupfer auf.
(Bild: VEM Sachsenwerk)

Den Entwicklungsingenieuren von VEM Sachsenwerk ist es nun gelungen, diese Nachteile wettzumachen. „Weil wir eine eigens entwickelte Optimierungssoftware einsetzen, können wir die Geometrie der Reluktanzläufer neu gestalten, während alle anderen Bauteile unverändert bleiben“, erklärt Stefan Ulbrich, Elektromagnetische Berechnung und Entwicklung bei VEM. Auf den Einsatz von Permanentmagneten, insbesondere solcher mit Anteilen von seltenen Erden, kann dabei völlig verzichtet werden. „So kann im Bauraum einer IE3-Asynchronmaschine nun eine IE5-Synchronreluktanzmaschine mit der identischen Umrichterbaugröße zusammenwirken“. Durch diese Neuentwicklungen stellt VEM für den gesamten Drehzahlbereich von 1000 bis 6000 min-1 Lösungen auf IE5-Niveau zur Verfügung. Da spezielles Augenmerk auf die Auswahl der Blechqualität sowie die mechanische Dauerfestigkeit gelegt wird, können auch höhere Drehzahlen erreicht werden. Derzeit befindet sich beispielsweise ein Prototyp in Erprobung, der 17,5 kW bei 7500 min-1 bei Achshöhe 112 leistet. Standard sind in dieser Baugröße 4 kW bei 3000 min-1.

Motoren einfach austauschbar

Neben des weiterhin in allen Branchen bestehenden Drucks zur Entwicklung energieeffizienter Lösungen, bieten staatliche Förderprogramme zusätzliche Anreize zu Investitionen. Da der Rotor von Synchron-Reluktanzmaschinen weder Permanentmagnete noch Aluminium oder Kupfer aufweist, sind diese Maschinen einfach zu warten, am „Lebensende“ zu recyceln und insgesamt materialsparend, wodurch sie vergleichsweise nachhaltig sind. Die einfachste Möglichkeit für Anwender besteht im direkten Austausch eines IE2- oder IE3-Asynchronmotors durch eine Synchron-Reluktanzmaschine. In jedem Fall ist ohne erhöhten Platzbedarf ein Sprung von zwei IE-Stufen realisierbar.

Der Umstieg von netzgespeisten Asynchronmotoren auf umrichtergespeiste Antriebe lohnt sich immer öfter.

Stefan Ulbrich, Elektromagnetische Berechnung und Entwicklung bei VEM

Die zweite Möglichkeit liegt in der Entwicklung neuer Produkte, die sich die hohe Effizienz bei erhöhter Drehzahl jenseits der gewohnten 3600 min-1 zu Nutze machen. Da in der Zukunft vor allem mit dem Umstieg auf die Siliziumcarbid-Technologie in der Leistungselektronik weitere Kosten- und Bauraumreduktionen zu erwarten sind, lohnt sich in immer mehr Anwendungsbereichen der Umstieg von netzgespeisten Asynchronmotoren auf umrichtergespeiste Antriebe mit beliebiger Bemessungsdrehzahl, die anforderungsgerecht geregelt werden können.

Unterstützend wirken hierbei die immer breiter verfügbaren Diagnosesysteme. Diese helfen einerseits Wartungsintervalle bedarfsgerecht zu planen, können andererseits aber auch in bestehenden Systemen beitragen, den tatsächlichen Energiebedarf zu ermitteln und auf dieser Basis einen neuen Antrieb passend auszuwählen. (ud)

Anwendertreff mechatronische Antriebstechnik

Im Fokus des Anwendertreffs mechatronische Antriebstechnik stehen die mechanischen Komponenten Getriebe, Kupplungen und Bremsen sowie deren Auslegung, Dimensionierung und Zusammenspiel im mechatronischen Gesamtsystem.

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