Elektromotoren wandeln elektrische Leistung in mechanische Leistung um. Sie können als Motoren um und umgekehrt als Generatoren eingesetzt werden. Elektrische Maschinen sind robust, günstig und können fantastische Wirkungsgrade von bis zu 98 % erreichen. Hier werden die Eigenschaften beschrieben, eine Funktionsbeschreibung ist unter Antriebsvergleich zu finden.
Übersicht
In der folgenden Tabelle werden die verschiedenen elektrischen Antriebssysteme und ihre wesentlichen Eigenschaften dargestellt:
| Prinzip | Variante | Eigenschaften | Bemerkung |
|---|---|---|---|
| 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 |
Bei Antrieben mit mehr als 500 Betriebsstunden pro Jahr sollte man für Leistungen ab 2 kW Energiesparmotoren einsetzen, 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 unten stehender Tabelle ist der Einfluss auf die Verlustleistung der verschiedenen Komponenten zusammengestellt:
| Komponente | Nenn- 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.