Kupferläufer aus Druckguss spart Energie

Bild 1: Von der SEW Eurodrive werden bis zum Herbst dieses Jahres eff1-Energiesparmotoren in Kupfertechnologie im Leistungsbereich von 1,1 bis 37 kW serienmäßig verfügbar sein

Bild 2: Durch den Kupfer-Druckguss verbessert sich der elektrische Leitwert erheblich

Bild 3: Durch den verbesserten Wirkungsgrad haben die eff1-Motoren gerade bei Teillast einen großen Vorteil

Bild 4: Eine typische Anwendung sind kontinuierliche Förderantriebe wie Band-, Ketten- und Schneckenförderer

Um den Wirkungsgrad von Energiesparmotoren zu verbessern, wurde neben dem Einsatz von Elektroblechen mit geringeren Verlusten hauptsächlich die elektromagnetische Ausnutzung des Motors reduziert. Dies bedeutet aber fast immer auch eine deutliche Vergrößerung der Motorabmessungen. Der im Läufer des Motors eingegossene Käfig hat wesentlichen Anteil an den Verlusten. Durch Verwendung von Kupferguss anstelle von Aluminiumguss kann der elektrische Widerstand, und damit die Verluste, um über 40% gesenkt werden.

Der Wirkungsgrad eines Motors ergibt sich aus dem Verhältnis von mechanischer Abgabeleistung und elektrischer Aufnahmeleistung. Die Differenz zwischen beiden sind Verluste. Sie spielen die entscheidende Rolle bei der Verbesserung des Wirkungsgrades. Die Verluste in Asynchronmaschinen werden in fünf Anteile aufgeteilt, die sich jeweils durch ihre physikalischen Ursachen unterscheiden. Am Beispiel eines typischen 5,5-kW-Motors in herkömmlicher Technologie mit Aluminium-Druckgusskäfig wird nachfolgend anhand von Beispielrechnungen gezeigt, welche Rolle diese fünf Anteile spielen und welche Möglichkeiten zur Verbesserung bestehen.

Durch die beiden Kugellager, das Lüfterrad und eventuelle Dichtringe entsteht mechanische Reibung. Der Anteil dieser Verluste an den Gesamtverlusten ist insgesamt eher gering und beträgt typischerweise weniger als 10%. Aufgrund der in Summe geringen Bedeutung dieser Verluste ist eine Verbesserung im Gesamteffekt auf den Wirkungsgrad nur wenig nützlich. Im Beispiel verbesserte sich der 5,5-kW-Motor von 85,4% Wirkungsgrad durch den Einsatz spezieller Lager und Dichtringe nur auf 85,5%.

Eisenverluste entstehen aus zwei physikalischen Effekten. Zum einen aus dem Widerstand des Eisens gegenüber der fortwährenden Änderung der magnetischen Feldausrichtung durch die mit 50 Hz pulsierende Frequenz des elektrischen Stroms (Hystereseverluste). Zum anderen aus Strömen in den Blechen, die ebenfalls aus der Pulsation des Netzes angeregt werden (Wirbelstromverluste). Eisenverluste haben einen wesentlichen Anteil an den Gesamtverlusten. Je nach Motortyp und -auslegung typischerweise zwischen 15 und 25%. Wirbelstromverluste werden bekämpft, indem man das Statoreisen aus einzelnen, möglichst gut gegeneinander isolierten Blechen zusammensetzt. Durch Verringerung der Blechdicke lassen sich die Verluste weiter vermindern, allerdings mit entsprechenden Kosten, weil die Anzahl der benötigten Bleche steigt (Stanzkosten).

Hystereseverluste werden durch Einsatz von speziellen Blechsorten mit geringerem Widerstand gegenüber Ummagnetisierung vermindert. Hierbei ergibt sich aber der Nachteil, dass diese Bleche meist einen höheren Blindstrombedarf haben, d.h. der Leistungsfaktor (cos phi) sinkt und der Leerlaufstrombedarf des Motors steigt. Immerhin kann in unserem Beispiel der Wirkungsgrad des 5,5-kW-Motors von 85,4% durch Einsatz von speziellem Blech auf 86,3% deutlich verbessert werden.

Wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, entstehen bekanntlich durch den Leiterwiderstand Verluste (I²R). Beim Elektromotor passiert dies sowohl im Stator (Kupferdrahtwicklung) wie auch im Rotor, der üblicherweise ein Aluminium-Druckgusskäfig ist. Bei kleinen Antrieben (um 1 kW) ist der Anteil der Stromwärmeverluste in der Statorwicklung an den Gesamtverlusten mit über 50% dominant. Ihre Bedeutung nimmt bei größeren Antrieben ab. Die Stromwärmeverluste des Rotors haben einen weitgehend konstanten Anteil von rund 20 bis 30% an den Gesamtverlusten.

Die Formel I²R zeigt bereits die beiden Möglichkeiten, Stromwärmeverluste zu reduzieren: Verminderung des Stromflusses oder Verkleinerung des Widerstandes. Der Strom lässt sich reduzieren, wenn der Motor überdimensioniert, also größer gemacht wird. Allerdings ist dieser Vorgehensweise eine Grenze gesetzt, wenn eine weitere Reduzierung des Stroms nicht mehr möglich ist (Abhängigkeit des Leerlaufstroms von der Motorgröße). Der Wirkungsgrad wird dann wieder schlechter. In unserem Beispiel könnte der Wirkungsgrad des 5,5-kW-Motors durch eine nur 10%ige Längensteigerung immerhin von 85,4% auf 86,2% verbessert werden. Insbesondere durch eine Durchmesservergrößerung wäre hier noch mehr möglich.

Die andere Alternative besteht in der Widerstandsreduzierung. Allerdings lässt sich der Widerstand der Statorwicklung meist kaum noch vermindern. Höchstens könnte die üblicherweise verwendete Einschichtwicklung durch eine Zweischichtwicklung mit entsprechend kürzeren Stirnkopfverbindungen ersetzt werden. Der Nutzeffekt bezogen auf den Wirkungsgrad ist eher klein.

Die SEW Eurodrive bietet nun erstmals ein im Grundsatz altbekanntes Verfahren zur Verbesserung des Widerstands im Läuferkäfig in industrieller Serienproduktion an. Dabei wird der Aluminium-Druckguss im Läuferkäfig durch Kupfer-Druckguss ersetzt. Der elektrische Leitwert verbessert sich dadurch von rund 33 auf 56 m/(V·mm²). Die Schwierigkeiten der Kupfer-Druckgusstechnologie bestehen in der Reinheit der Schmelze und in der hohen Gießtemperatur von rund 1100 °C gegenüber rund 700 °C für Aluminium.

Für Motoren im Leistungsbereich ab einigen 100 kW ist der Kupferkäfig seit jeher im Einsatz, allerdings gefertigt durch Einschlagen von Einzelstäben und manueller Verschweißung/Verlötung des Kurzschlussringes. Dieses Verfahren wäre für Normmotoren nicht wirtschaftlich, beweist aber die grundsätzliche technische Überlegenheit von Kupferkäfigen.

Der Wirkungsgrad des vorgestellten 5,5-kW-Motors lässt sich durch den Einsatz eines Kupferrotors von 85,4% auf 87,7% steigern. Dies ist die mit Abstand wirkungsvollste Einzelmaßnahme zur Verbesserung des Wirkungsgrades.

Unter diesem Sammelbegriff fasst man alle weiteren Verluste zusammen, die sich in elektrischen Maschinen hauptsächlich aus Schmutzeffekten ergeben. Hierzu zählen beispielsweise Querströme zwischen den Stäben des Käfigs und induzierte Ströme im Stirnraum durch Querfelder der Wicklung. Der Anteil der Zusatzverluste an den Gesamtverlusten ist mit 5 bis 10% etwa in gleicher Größenordnung wie die Lüftungs- und Reibungsverluste.

Es hat sich gezeigt, dass die Zusatzverluste durch den Einsatz von Kupferläufern deutlich reduziert werden (um bis zu 25%). Die physikalische Ursache ist vermutlich eine reduzierte Neigung zu Querströmen aufgrund der besseren Leitung des Stroms in den Stäben sowie der homogeneren Materialverteilung des Kupferkäfigs gegenüber einem Aluminiumkäfig (Kupfer ist beim Guss wesentlich flüssiger als Aluminium). Allerdings sind die Zusatzverluste messtechnisch etwas komplizierter zu erfassen als die übrigen Verlustarten. Sie werden deshalb in Europa nur mit einem pauschalen, leistungsabhängigen Fixwert angegeben, der natürlich die Vorteile des Kupferläufers in dieser Hinsicht nicht berücksichtigt. Für die amerikanischen (USA, Kanada, Brasilien) und australischen Märkte müssen Zusatzverluste gemessen und damit realistisch angegeben werden.

Für den Energiesparmotor DVE132S4 wurden mehrere der oben genannten Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrades umgesetzt (bessere Blechqualität, Vergrößerung des Aktivmaterials, Kupferläufer). Nur der Kupfer-Druckgusstechnologie ist es zu verdanken, dass der Motordurchmesser trotz deutlich gesteigertem Wirkungsgrad gehalten werden konnte und die erforderliche Mehrlänge mit 40 mm sehr gering ausgefallen ist.

Für den Anwender ist es wichtig zu wissen, ob und wie sich die sonstigen Betriebseigenschaften des Motors durch den Wechsel von Aluminium- zu Kupferrotoren verändern. Durch das höherwertige Material werden auch andere Motoreigenschaften deutlich positiv beeinflusst. Aufgrund des kleineren Rotorwiderstands ergibt sich über den gesamten Leistungsbereich, also auch schon bei Teillast, eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades. Der manchmal bei Energiesparmotoren mit Aluminiumläufer beobachtete Effekt, dass der Wirkungsgrad mit Teillastbereich noch unter den des Standardmotors abfällt, tritt hierbei nicht auf.

Die Kippdrehzahl des Kupferläufers ist deutlich kleiner, der Drehzahl-Drehmomentverlauf damit erheblich steiler. Hieraus ergeben sich zwei Vorteile. Zum einen steigt die Überlastfähigkeit (die Kippleistung) des Motors um bis zu 20%, denn Leistung ergibt sich bekanntlich aus Drehzahl und Drehmoment. Zum zweiten ist das Lastwechselverhalten, also die Drehzahländerung bei unterschiedlich starker Belastung des Motors, wesentlich besser ? der Motor ist steifer. Dies kommt besonders dem Umrichterbetrieb zugute, denn prozentual ist dieser Effekt um so bedeutungsvoller, je geringer die Speisefrequenz ist und je langsamer der Motor dreht.

cav 400

Dr.-Ing. Martin Doppelbauer