Elektromotoren


Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 01.08.2011

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Elektrische Maschinen sind die besten Umwandlungssysteme von elektrischer in mechanische Leistung (Motoren) und umgekehrt (Generatoren). Sie sind robust, günstig und können Wirkungsgrade von 98% erreichen. Wenn ein Elektromotor mehr als 500 Betriebsstunden im Jahr hat, kann sich eine energetische Optimierung lohnen.

Übersicht

In der folgenden Tabelle werden die verschiedenen elektrischen Antriebssysteme und ihre wesentlichen Eigenschaften dargestellt:

PrinzipVarianteEigenschaftenBemerkung
Gleichstrommotor

(Kommutator-
maschine)
Erregerwicklung veraltet seit 1990 weitgehend Ersatz durch
Asynchronmotor mit Frequenzumrichter
Universalmotor Steckdosenbetrieb für Aufnahmeleistungen bis 2 kW
kurze Laufzeit Kommutatorverschleiss
schlechter Wirkungsgrad maximal 80%
permanenterregt guter Wirkungsgrad bis 90%
gute Regelbarkeit günstig mit Chopper
kleine Leistung bis 100 W (bis 5 kW erhältlich)
kurze Laufzeit Kommutatorverschleiss
geringe Schutzart Kommutatorkontakte
grosse Qualitätsunterschiede 10 bis 1000 Franken pro kW
Asynchronmotor

(Induktions-
maschine)
Kurzschlussläufer international standardisiert auch viele Umrichterhersteller
sehr günstig etwa 100 Franken pro kW
sehr robust 100'000 Stunden Lebensdauer
fixe Drehzahlstufen
im Netzbetrieb
knapp 3000 / 1500 / 1000 / 750 /
600 / 500 / ... U/min bei 50 Hz
Regelbarkeit mit Frequenzumrichter
Wirkungsgrad unter 1,5 kW schlecht (maximal 80%);
grosse Motoren erreichen 98%
Energiesparmotoren rentabel ab 1000 Betriebsstunden pro Jahr
Spaltpolmotor kleine Leistung bis 100 W
schlechter Wirkungsgrad sonst wie der Kurzschlussläufer
Reluktanzmotor konstante Drehzahl aber
schlechter Wirkungsgrad
Ersatz durch Asynchronmotor und
Frequenzumrichter mit Drehzahlregler
Schleifringläufer besondere Anwendungen Einsatz im oberen Leistungsbereich
Synchronmotor

(bürstenloser
Gleichstrommotor)
Erregerwicklung besondere Anwendungen vorwiegend als Generator
permanenterregt guter Wirkungsgrad bis 95%
robust Einschränkung durch die Magnete
geringe Leistung bis 5 kW sinnvoll
Betrieb und Regelbarkeit Betrieb nur mit Regelgerät möglich
Sondermaschinen Geschaltene
Reluktanzmaschine
vergleichbar mit Asynchronmotor
mit Frequenzumrichter
für anwendungsspezifische
Antriebslösungen
Transversalfluss-
maschine
hohes Drehmoment,
tiefe Drehzahlen,
hoher Wirkungsgrad
teuer und konstruktiv noch
nicht optimiert
Linearmotoren direkte Linearbewegung teuer

Zusammenfassende Empfehlung für Antriebsaufgaben mit mehr als 1000 Betriebsstunden pro Jahr: Für Leistungen ab 2 kW Energiesparmotoren, darunter permanente erregte Synchronmotoren.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von Abgabeleistung zu Leistungsaufnahme. In der Antriebstechnik liegt die Systemgrenze zwischen Stromanschluss und Kupplung zur Last, das heisst, die Verluste der Leistungselektronik, Kühlventilatoren, Getriebe, Riemen usw. muss auch mit einbezogen werden. Alle Antriebe haben in den beiden Extremfällen Blockierung und Leerlauf den Wirkungsgrad 0%. Der deklarierte Wirkungsgrad gilt im Nennpunkt, wo der Antrieb bei seiner Nenndrehzahl die Nennleistung abgibt. Über oder unter diesem Betriebspunkt verändert sich der Wirkungsgrad, er kann besser oder schlechter sein, meistens schlechter.

Zur Beurteilung der Energieeffizienz ist die Beachtung der Verlustleistung hilfreicher als der Wirkungsgrad. In untenstehender Tabelle ist der Einfluss auf die Verlustleistung der verschiedenen Komponenten zusammengestellt:

KomponenteNenn-
wirkungsgrad
Einflussgrössen
Verlustleistung
Abhängigkeit
Einflussgrössen
Anteil Nenn-
verlustleistung
Erklärung, Bemerkungen
Regelgeräte 90 bis 99% Infrastruktur konstant 2 bis 20% Zusatzgeräte, Netzteil, Prozessorprint,
Anzeigedisplay, ungeregelte Kühleinrichtungen
Ausgangsstrom proportional 50 bis 70% Strom mal Halbleiter-Durchlassspannungen
und Rippelströme in den Kondensatoren
Ausgangsstrom
Taktfrequenz
Produkt 10 bis 40% Schaltverluste in den Halbleitern
Elektromotor 50 bis 98% Infrastruktur konstant 0 bis 20% Feststellbremse (Haltespule)
Fremdkühlung (z.B. ungeregelte Ventilatoren)
Erregung (Kupferverluste und Speisegerät)
Zusatzverluste durch Umrichter usw.
Drehzahl proportional 5 bis 30% Lagerreibung, Bürstenreibung (falls vorhanden)
Eisenverluste (Ummagnetisierung)
quadratisch 5 bis 30% Strömungsverluste im Motor (meistens gering)
Lüftungsverluste wenn Lüfter auf Welle
Eisenverluste (Wirbelstromverluste)
Kupferverluste (Anteil Magnetisierungsstrom)
Drehmoment proportional 0 bis 5% Bürstenspannung (falls vorhanden)
quadratisch 50 bis 90% Kupferverluste (Anteil Wirkstrom)
Getriebe
Riemen
50 bis 98% Infrastruktur konstant 0 bis 30% Schmiermittelpumpe oder zum Beispiel
Zugmagnet für Kupplung
Drehzahl proportional 50 bis 95% Reibung (Lager, Zähne, Riemen ...)
quadratisch 1 bis 20% Strömungsverluste
Drehmoment proportional 5 bis 30% Verformungsarbeit, Schlupf bei Riemen

Zusammenfassung für die meisten Systeme: Es gibt im Bereich der Nenndrehzahl eine lastunabhängige Komponente der Verlustleistung und eine die quadratisch zum Drehmoment ist, welche bei grösseren Systemen über 80% der Nennverluste ausmacht.


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