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Wirkungsgradsteigerung beim Antriebsstrang:

19.09.2016

Elektromotoren nur die Spitze des Eisbergs?

Angespornt durch die Einführung immer strengerer IE-Effizienzklassen, übertrumpfen sich die Hersteller gegenseitig mit schlagzeilenträchtigen Wirkungsgradwerten, von denen man vor 10 Jahren nur träumen konnte. Das ist unbestreitbar ein großer Fortschritt für die Industrie, aber ist der Motorwirkungsgrad vielleicht nur die Spitze des Eisbergs?

Der Bauer-Permanentmagnet-Synchronmotor der Super-Premium-Efficiency-Klasse IE4 ist eines der Puzzleteile für hocheffiziente, kostenwirksame Antriebsstränge
Der Bauer-Permanentmagnet-Synchronmotor der Super-Premium-Efficiency-Klasse IE4 ist eines der Puzzleteile für hocheffiziente, kostenwirksame Antriebsstränge

Als führender Hersteller von Elektromotoren der Effizienzklassen High Efficiency (IE2), Premium Efficiency (IE3) und Super Premium Efficiency (zukünftig IE4) kennt Bauer Gear Motor den hohen Stellenwert des Motors bei der Berechnung der Gesamtbetriebskosten des Endanwenders. Trotzdem weisen die technischen Experten von Bauer immer wieder darauf hin, dass die Motoreigenschaften nur ein Teil eines größeren Gesamtbildes sind.

Anstatt den Antriebsstrang in separate Abschnitte zu zerlegen und sich auf einzelne Komponenten wie den Motor zu konzentrieren, sollte man ihn laut Bauer als ein ‚elektromechanisches Gesamtpaket‘ betrachten, das zwecks Leistungsoptimierung einen möglichst hohen Integrationsgrad aufweisen muss. Obwohl sich derzeit alles um die Effizienz von Elektromotoren dreht, setzt sich das Energiesparsparpotenzial für den gesamten Antriebsstrang typischerweise nach dem Modell des Zentralverbands Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) zusammen:

10 % durch höhere Effizienz des Motors
30 % durch elektronische Drehzahlregelung
60 % durch Optimierung des mechanischen Systems

Wie das Modell veranschaulicht, ist es wenig sinnvoll, den neuesten Motor zu spezifizieren, solange die Grundlage nicht optimiert wurde.

Ein Frequenzumrichter zur Überwachung und Drehzahlregelung des Elektromotors bewirkt eine unmittelbare und deutliche Verbesserung bei allen Anwendungen, in denen der Motor nicht die ganze Zeit bei voller Last laufen muss. Selbst bei Volllast betriebene Elektromotoren sind mit Frequenzumrichter beim Anlauf effizienter. Der praktischen Bedeutung der Drehzahlregelung für die Energieeffizienz wurde mit Einführung der Verordnung 640/2009 Rechnung getragen. Sie schreibt vor, dass seit 1. Januar 2015 alle Installationen in Europa, für die ein IE2-Elektromotor des Leistungsspektrums von 7,5 kW bis 375 kW spezifiziert wurde, mit einem Frequenzumrichter ausgestattet sein müssen.

Bauer hat Beziehungen zu vielen der führenden Anbieter von Systemen zur Drehzahlregelung aufgebaut, sodass deren Produkte Hand in Hand mit den Bauer-Produkten arbeiten und die Wirkungsgrade der Bauer-Systeme maximieren.

Während der Frequenzumrichter das Potenzial moderner Elektromotoren erschließt, sind es die mechanischen Komponenten des Antriebsstrangs, die das Potenzial auf das gesamte System übertragen. Innerhalb des elektromechanischen Pakets lassen sich die mechanischen Komponenten in zwei Untergruppen einteilen: Getriebetechnik (Gear Technologies) und Antriebsstrangoptimierung (Drivetrain Optimisation).

Durch Auswahl eines möglichst effizienten Getriebes wird erreicht, dass ein größerer Anteil der Motorleistung zur Erfüllung des eigentlichen Zwecks zur Verfügung steht. Ein sorgfältig ausgewähltes Getriebe verhindert überflüssige Überdimensionierung. So lassen sich gleich zu Beginn Kosten einsparen und Systemverluste im Betrieb reduzieren. Diese Systemverluste sind ein wichtiger Faktor in der Norm EN 50598, welche die Einteilung in die IES-Effizienzklassen anhand des Wirkungsgrads des gesamten Antriebssystems vornimmt.

Bauer stellt seit 1927 Getriebe her und war in diesen knapp 90 Jahren stets auf Ergebnisse mit größtmöglichem Wirkungsgrad und höchster Zuverlässigkeit bedacht. Dabei hat das Unternehmen herausgefunden, dass die Zusammenstellung kundenspezifischer Pakete mit optimalem Übersetzungsverhältnis für die jeweilige Anwendung am besten durch modulare Lösungen gelingt. Zu diesen Modellen zählen die Stirnradgetriebemotoren der BG-Reihe, Flachgetriebemotoren der BF-Reihe, Kegelradgetriebemotoren der BK-Reihe und Schneckengetriebemotoren der BS-Reihe. Darüber hinaus werden anwendungsspezifische Modelle angeboten, u. a. in Edelstahlausführung. In Kombination mit dem entsprechenden Motor steht hiermit der weltweit erste IE4-Permanentmagnet-Synchrongetriebemotor in Edelstahlausführung für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie zur Verfügung.

Die Antriebsstrangoptimierung ist das letzte Puzzleteil, aber mindestens ebenso wichtig wie die bisher beleuchteten Aspekte. Nachdem alle Aspekte des Antriebsstrangs spezifiziert sind, muss dieser so effizient wie möglich in die Maschine integriert werden. Das verlangt nicht nur Detailkenntnisse des Antriebsstrangs, sondern auch Kenntnisse der jeweiligen Anwendungsbranche. Aus diesem Grund beschäftigt Bauer ein Team von Anwendungsexperten mit verschiedenen Branchenspezialisierungen.

All das schmälert natürlich in keiner Weise die Bedeutung des kontinuierlichen Fortschritts bei den Motorwirkungsgraden. Hier waren in den vergangenen zehn Jahren enorme Erfolge zu verzeichnen, vor allem im Vergleich zur relativ ausgereiften und sich daher nur langsam weiterentwickelnden Getriebe- und Antriebsstrangtechnik. Wichtig ist die Auswahl eines effizienten mechanischen Systems. Auf dieser Grundlage lassen sich durch die Kombination modernster Elektromotoren mit gut integrierten Frequenzumrichtern erhebliche Energieeinsparungen erzielen.

Um zum Eisberg-Vergleich zurückzukehren: Die Fortschritte in der Elektromotorentechnologie sind wirklich nur die sichtbare Spitze. Sie erregen Aufmerksamkeit und erinnern uns daran, dass wir uns mit dem Thema Effizienz befassen müssen. Die wirklich wichtigen Faktoren gehen allerdings weit darüber hinaus: Ohne entsprechend spezifizierten Antriebsstrang können IE4-Motoren ihr Potenzial niemals voll ausreizen.

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