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Die Wahl des richtigen Elektromotors

Ein Elektromotor ist ein elektromechanisches Organ, das die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie gestattet. In den meisten Fällen ist die Bewegung eine Drehbewegung, da die mechanische Energie sich durch die Rotationsgeschwindigkeit und das Drehmoment des Motors auszeichnet.

Dieser Einkaufsführer behandelt ausschließlich diesen Motorentyp. Linearmotoren werden in einem anderen Einkaufsführer behandelt.

Man geht davon aus, dass die Systeme mit Elektromotoren 46% der weltweit verbrauchten Elektrizität darstellen. In der Industrie sind Elektromotoren überall. Sie drehen Pumpen, treiben Kompressoren und Förderbänder, Ventilatoren, Gebläse, Bohrmaschinen oder Mischer an. Man könnte Elektromotoren die Workaholics der Industrie nennen.

Elektromotoren auf einen Blick

  • Auswahlkriterien für einen Elektromotor

    Mit einem Elektromotor kann man verschiedene Arten von Bewegungen ausführen: schnell, präzise, durchgängig, mit oder ohne Veränderung der Geschwindigkeit, und jede dieser Anwendungen erfordert eine spezifische Motortechnologie.

    1. Die Wahl muss zuerst unter drei großen Gruppen von Elektromotoren getrofffen werden:
    1. Anschließend muss die gewünschte Anwendung bestimmt werden, denn sie ist es, die die Wahl des Motors letztendlich festlegt:
      • Wenn Sie einen Motor suchen, der durchgängig und mit wenigen Geschwindigkeitsveränderungen arbeitet, ist ein asynchroner Motor vorzuziehen.
      • Für dynamische Anwendungen muss ein Synchronmotor gewählt werden.
      • Für eine präzise Positionierung wählt man einen Schrittmotor.
    1. Je nach erforderlicher Bewegung müssen weiterhin die technischen Eigenschaften bestimmt werden, sowie die Dimensionierung des Motors:
      • Für die technischen Eigenschaften: es müssen Leistung, Drehmoment und Motorgeschwindigkeit festgelegt werden.
      • Für die Abmessungen: beachtet werden müssen Stellfläche (die Größe des Motors) und Montage (die Art, wie der Motor im System verankert wird).
    1. Die Wahl von Stellfläche und Widerstandsfähigkeit des Motors richtet sich auch nach dem industriellen Umfeld, in dem der Motor eingesetzt werden soll:
      • Es gibt in der Tat angepasste Bauweisen für jede spezifische Umgebung (explosionsfähige, feuchte, korrosive Atmosphäre, besonders hohe Temperaturen uÄm.)
      • Für rauhe Umgebungen gibt es Motoren mit verstärkten, dichten, stoßresistenten oder schmutzfesten Verkleidungen.
    1. Schließlich und endlich ist die Energieeffizienz in den letzten Jahren ein wichtiges Kriterium geworden, das bei der Wahl eines Motors berücksichtigt werden muss:
      • Ein Elektromotor, der weniger Energie verbraucht, verursacht nur eine geringe Energiebelastung, was die Möglichkeit bietet, die entsprechende Rechnung zu reduzieren.
  • Wie wählt man zwischen einem AC-Motor und einen DC-Motor?

    Diese beiden Motoren haben eine unterschiedliche Bauweise:

    • Der grundlegendste Unterschied besteht in der Stromzufuhr : dem Wechselstrom (inphasen- oder Dreiphasenstrom) und dem Gleichstrom (DC), zum Beispiel für Batterien.
    • Die Geschwindigkeit ist ein weiterer Differenzierungsfaktor. Man kontrolliert die Geschwindigkeit eines Wechselstrommotors, indem man die Stromstärke im Motor ändert, wogegen die eines Gleichstromotors dadurch kontrolliert wird, dass man die Frequenz ändert, und dies im Allgemeinen mittels eines Frequenzvariators. Wechselstrommotoren drehen sich schneller als Gleichstrommotoren.
    Synchronmotoren der Marke LEROU-SOMER
    Synchronmotoren der Marke LEROU-SOMER

    1 AC-Motoren:

    Wechselstrommotoren sind die gängigsten Motoren in der Industrie, weil sie verschiedene Vorteile bieten:

    • Sie sind einfach konstruiert
    • Dadurch, dass sie einen geringeren Verbrauch beim Start haben, sind sie wirtschaftlicher.
    • Außerdem sind sie robuster und haben dadurch im Allgemeinen eine längere Lebensdauer
    • Sie erfordern nur eine geringe Wartung.

    Angesichts ihrer Funktionsweise, die eine Synchronisierung zwischen Rotation des Rotors und der Stromfrequenz impliziert, bleibt die Geschwindigkeit der Wechselstrommotoren konstant. Dadurch sind sie besonders gut an Anwendungen angepasst, die gleichmäßige, kontinuierliche Bewegungen erfordern und nur wenige Geschwindigkeitsänderungen. Pumpen, Förderanlagen und Ventilatoren sind somit perfekte Anwendungsbereiche für diesen Motorentyp.

    Sie können weiterhin in Systeme integriert werden, die keine große Präzision erfordern, wenn sie mit variabler Geschwindigkeit betrieben werden.

    Die Funktionen für die Geschwindigkeitskontrolle machen sie jedoch kostspieliger als andere Motoren.

    AC-Motoren werden in zwei Gruppen aufgeteilt: les Einphasenmotoren und Dreiphasenmotoren.

    • Einphasenmotoren zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
      • Die elektrische Leistung (in kW), die das Drehmoment bestimmt
      • Die Anzahl der Pole, die die Rotationsgeschwindigkeit ergibt
      • Die Art der Montage: Flansch (B14, B5) oder Motorfüße (B3)
      • Die Effizienz
      • Es sind weniger industrielle Motoren, da sie weniger leistungsstark sind
      • Die Möglichkeit, sie im häuslichen Stromnetz einzusetzen.
    • Dreiphasenmotoren zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
      • Eine Architektur, die es gestattet, eine deutlich größere elektrische Leistung zu erbringen als ein Motor auf Einphasenstrom.
      • Ihre Verwendung in industrieller Umgebung (ca. 80%).
      • Ihre Verwendung für Infrastrukturen und Ausrüstungen, die eine hohe elektrische Leistung erfordern.
    DC-Motoren der Marke Ametek
    DC-Motoren der Marke Ametek
    1. DC-Motoren:

    Auch Gleichstrommotoren sind im industriellen Umfeld sehr verbreitet, da sie je nach Konstruktion wichtige Vorteile haben (siehe Frage zum bürstenlosen Motor):

    • Sie sind präzise und schnell..
    • Ihre Geschwindigkeit kann kontrolliert werden, indem man die Zufuhrspannung variiert.
    • Sie sind leicht zu installieren und dies auch in mobilen Systemen (mit Batterien).
    • Das Anlaufmoment ist hoch
    • Start, Anhalten, Beschleunigungen oder Rückwärtsgänge geschehen schnell.

    Sie eignen sich ausgezeichnet für dynamische Anwendungen, die große Genauigkeit erfordern, insbesondere was die Geschwindigkeit angeht, wie im Falle von Aufzügen, oder in Bezug auf die Position wie bei Robotern oder Werkzeugmaschinen.

    Sie können weiterhin interessant sein für Anwendungen, die hohe Leistungen erfordern (z.B. 10 000 kW).

    Je nach Bauweise haben sie jedoch gewisse Nachteile im Vergleich zu AC-Motoren:

    • Sie sind weniger geläufig, da sie weniger an Anwendungen angepasst sind, die hohe Leistungen erfordern
    • Sie setzen sich aus zahlreichen Bauteilen zusammen, die sich abnutzen und kostspielig zu ersetzen sind
  • Die Wahl zwischen einem brushless-Motor oder einem Bürstenmotor

    Gleichstrom-Bürstenmotor der Marke BODINE
    Gleichstrom-Bürstenmotor der Marke BODINE

    Die beiden geläufigsten Gleichstrom-Motortypen sind Bürstenmotoren und brushless-Motoren.

    1.Bürstenmotoren (mit Bürsten)

    Bürstenmotoren sind die einfachsten Motoren und die am häufigsten verwendeten, insbesondere für einfache Industrieauausstattungen und für Anwendungen mit kleinem Budget.

    • Bürstenmotoren bieten in der Tat gewisse Vorteile:
    • Sie sind einfach zu kontrollieren
    • Bei niedriger Drehzahl ist das Drehmoment ausgezeichnet.
    • Sie sind wenig kostspielig.

    Je nach gewünschter Anwendung gibt es vier Motorentypan.

    • Reihenschluss-Erregungsmotoren :
      • Bei diesem Motorentyp ist der Stator mit dem Rotor in Reihe geschaltet und die Geschwindigkeit wird durch die Variation der Versorgungsspannung kontrolliert.
      • Diese Atrt der Kontrolle ist jedoch nicht unbedingt gut: die Geschwindigkeit sinkt, sowie das Drehmoment zum Motor größer wird.
      • Dieser Motorentyp ist interessant für Anwendungen, die ein hohes Anlaufmoment brauchen, wie Automobile oder Kräne.
    • Nebenschlussmotoren :
      • Bei diesem Motorentyp ist der Stator parallel zum Rotor angeschlossen, was ein höheres Drehmoment gestattet, ohne dass die Geschwindigkeit abnimmt, wenn der Motorstrom sich erhöht.
      • Dieser Motorentyp eignet sich für Anwendungen mit konstanten Geschwindigkeiten wie Staubsauger oder Transportmotoren.
    • Verbunderregte Motoren :
      • Dieser Motorentyp kombiniert die Struktur von Reihenschluss- und Nebenschlussmotoren.
      • Er bietet damit gleichzeitig ein sehr hohes Anlaufmoment und eine größere Geschwindigkeitsveränderung.
      • Er ist perfekt für Rotationspressen, Aufzüge, Gepäckausgabebänder, Zentrifugalpumpen oder Kompressoren.
    • Permanentmagnet-Motoren :
      • Dieser Motortyp enthält einen Permanentmagneten, der ein schwaches Drehmoment erlaubt.
      • Er ist zweckdienlich für Anwendungen, die eine präzise Steuerung erfordern, wie die Robotik oder Servosysteme.

    Dennoch haben alle Bürstenmotoren große Nachteile:

    • Sie sind weniger effizient als brushless Motoren (75-80% gegenüber 85-90%) für die brushless Motoren).
    • Ihre Lebensdauer ist gering, weil die Bürsten sich durch die regelmäßige Reibung schnell abnutzen (zwischen 1 000 und 10 000 Arbeitsstunden je nach Anwendungsfrequenz, Leistung, Geschwindigkeit, Vibrationen…)
    • Der Bogen der Bürsten und des Kollektors kann ein elektromagnetisches Rauschen hervorrufen, das Brände auslösen kann.
    • Ebenso macht die Funkengefahr durch Reibung seine Anwendung in explosiver Umgebung wenig wünschenswert.
    • Die Geschwindigkeit ist wegen der Erhitzung der Bürsten im Allgemeinen begrenzt.
    • Die Bürsten aus Graphit generieren Staub, der andere Geräte beschädigen kann, insbesondere optische Geräte.
    • Sie müssen geschmiert werden, was ihren Einsatz in Staubsaugern unmöglich macht.

    2. Brushless-Motoren (ohne Besen)

    Bürstenlose Motoren gleichen zeitweise gewisse Schwachpunkte der Bürstenmotore aus, insbesondere das Vorhandensein der Bürsten. Aber diese Motoren haben noch andere Vorteile:

    • Sie können bei höheren Geschwindigkeiten arbeiten (bis zu 100 000 Umdrehungen pro Minute gegen 20 000 für Bürstenmotoren).
    • Ihre Lebensdauer ist länger (mehr als 10 000 Betriebsstunden)
    • Sie sind zuverlässiger und effizienter.
    • Abgesehen von den Lagern haben sie keine Verschleißteile, was die Wartung reduziert.

    Die Möglichkeit dieser Motoren, bei sehr hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten, macht diesen Motor besonders geeignet für Schleifmaschinen, Ventilatoren oder Sägen.

    Brushless Motoren verfügen systematisch über einen Encoder, einen Sensor, der das elektronische Umschalten und die Bestimmung der Rotorposition. Diese Motoren sind damit perfekt für Servomotoren im Rahmen von Präzisionsanwendungen.

    Sie haben jedoch gewisse Nachteile:

    • Die Ausgangskosten sind hoch, weil eine entsprechende Umschaltsteuerung eingebaut werden muss.
    • Außerdem erfordern sie im Allgemeinen ein Reduziergetriebe für Zuganwendungen.

    Das Ende der Bürstenmotoren –  Anwendungsfall mit Opportunity

    Man könnte annehmen, dass im Spiel Bürstenmotor gegen brushless Motoren die Bürsten verlieren und keine andere Wahl haben, als sich in den Schrank zu begeben. Dem ist jedoch nicht so, denn die Bürstenmotoren bleiben weiterhin beliebt in der Industrie und sogar im Weltraum. Die Firma Maxon, Schweizerischer Hersteller von Elektromotoren, entwickelt ständig neue Technologien für Bürstenmotoren, und ihre Motoren wurden zur Ausstattung von Opportunity, dem Rover der NASA verwendet, der im März 2003 auf Mars gesendet wurde.

    Opportunity transportierte 34 DC-Bürstenmotoren, die erfolgreich unter Extrembedingungen arbeiten konnten, und dies bei großen Temperaturunterschieden. Die Wahl der Nasa war einfach: sie nutzte die einfache Steuerung der Bürstenmotoren und somit die Möglichkeit, die 34 Motoren mit einer einzigen Steuerung zu kontrollieren. Brushless Motoren hätten eine Steuerung pro Motor erfordert, woraus ein Risiko von Kosten und Komplikationen entstanden wäre.

     

  • Warum ein Schrittmotor?

    2-Phasen-Schrittmotor der Marke SANYO DENKI
    2-Phasen-Schrittmotor der Marke SANYO DENKI

    Ein Schrittmotor wandelt einen elektrischen Impuls in eine Winkelbewegung um. Für Anwendungen, die eine Positionskontrolle mit offener Schleife erfordern, ist ein solcher Motor nützlich.

    Der Markt bietet drei verschiedene Schrittmotoren an:

    • Den Motor mit veränderlicher Reluktan: bei gleichen elektrischen Eigenschaften ist ein solcher Motor weniger leistungsstark, aber schneller als Motoren mit Permanentmagneten.
    • Den Permanentmagnetmotor : ein Motor mit niedrigem Anschaffungspreis et de und einer durchschnittlichen Auflösung
      (bis 100 Schritt/Umdrehung).
    • Den Hybridmotor : dieser Motor kombiniert die beiden vorhergehenden Technologien, ist jedoch
      teurer. Sein Vorteil liegt in einem besseren Drehmoment und einer höheren Geschwindigkeit. Er hat eine Auflösung von 100 bis 400 Schritt/Umdrehung.

    Motoren mit Permanentmagnet und hybride Motoren sind die am häufigsten verwendeten, weil sie gewisse Vorteile haben:

    • Sie sind präzise.
    • Sie sind kostengünstig
    • Sie sind robust
    • Sie haben einen einfachen Aufbau
    • Das Drehmoment ist hoch beim Start und bei niedrigen Geschwindigkeiten

    Sie bringen jedoch auch Nachteile mit sich:

    • Geschwindigkeit und Drehmoment sind relativ niedrig
    • Das Drehmoment verringert sich stark, wenn die Geschwindigkeit steigt.
    • Dies zieht Vibrationen nach sich, die Resonanzprobleme schaffen können.
    • Es entstehen Überhitzungsprobleme.

    Für die Wahl Ihres Schrittmotors beachten Sie:

    • Drehmoment und Belastung
    • Schrittzahl
    • Motorabmessungen (Gewicht, Fixierungsflansche des Motors…).
    • Die Kosten
  • Welche Standards existieren für die Energieeffizienz elektrischer Motoren?

    Immer häufiger stellt man sich in der Industrie die Frage nach der Energieeffizienz. Eine grünere und umweltfreundlichere Wirtschaft ist eines der Objektive der COP 21, für die sich zahlreiche Staaten engagiert haben. Aber der Industrie geht es vor allem darum, den Verbrauch zu begrenzen und Einsparungen zu machen, Gründe, aus denen sie in den letzten Jahren in Ausrüstungen investiert hat, die über eine größere energetische Effizienz verfügen. Entsprechend einer Untersuchung der europäischen Kommission stellen Motoren 65% des Energieverbrauchs der europäischen Industrie dar. Ein vernünftiges Handeln im Bereich der Motoren ist somit ein starker Hebel, um die CO2-Emissionen zu reduzieren. Die Kommission sieht sogar vor, dass es möglich ist, bis zum Jahr 2020 die energetische Effizienz der in Europa hergestellten Motoren um 20 bis 30% zu verbessern Dies würde 63 Millionen Tonnen CO2 weniger in der Atmosphäre und 135 Milliarden kWh Einsparung bedeuten.

    Wenn Sie auch energieeffiziente Motoren integrieren und sowohl Einsparungen als auch umweltfreundlich handeln wollen, müssen Sie sich zunächst die in Ihrem Land oder Ihrem Gebiet geltenden Normen für energetische Effizienz von Motoren ansehen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass diese Normen nicht alle Motoren betreffen, sondern ausschließlich elektrische AC-Asynchronmotoren.

    Die internationalen Normen

    • Die International Electronics Commission (IEC) hat Energieeffizienzklassen für in Verkehr gebrachte Elektromotoren, den so genannten IE-Code, definiert, die in der internationalen IEC-Norm zusammengefasst sind.
    • Die IEC hat vier Energieeffizienzstufen identifiziert, die die Energieeffizienz des Motors definieren:
      • IE1 verweist auf eine Produktionsleistung mit STANDARD-Niveau
      • IE2 verweist auf eine Produktionsleistung mit HOHEM-Niveau
      • IE3 entspricht einer Produktionsleistung PREMIUM
      • IE4 befindet sich noch im Untersuchingsstadum, verspricht aber eine Produktionsleistung mit Niveau SUPER PREMIUM
    • Die IEC hat weiterhin die Norm IEC 60034-2-1:2014 für den Test von Elektromotoren herausgebracht. Viele Länder verwenden nationale Prüfnormen und verweisen gleichzeitig auf die internationale Norm IEC 60034-2-1.

    In Europa

    Die EU hat bereits mehrere Richtlinien zur Senkung des Energieverbrauchs von Motoren verabschiedet, darunter die Verpflichtung für Hersteller, energieeffiziente Motoren in Verkehr zu bringen:

    • So ist die Energieklasse IE2 obligatorisch für alle Motoren seit 2011
    • Die Klasse IE3 ist Pflicht seit Januar 2015 für alle Motoren mit einer Leistung de 7,5 à 375 kW (oder IE2 wenn diese Motoren über einen Frequenzumrichter verfügen)
    • Die Klasse IE3 ist Pflicht seit 1. Januar 2017 für alle Motoren mit einer Leistung de 0,75 à 375 kW

    Vereinigte Staaten

    In den Vereinigten Staaten haben die Normen der Amerikanischen Vereinigung NEMA Gültigkeit. Seit 2007 liegt das erforderliche Minimalniveau bei IE2.
    Dieselbe Klassifizierung gilt für Australien und Neuseeland.

     Asien

    In China gelten seit 2002 die koreanischen Normen MEPS (Minimum Energy Performance Standard) für kleine und mittlere Drehstrom-Asynchronmotoren (GB 18693). Im Jahr 2012 wurden die Normen an die IEC Normen angepasst, und gingen von IE1 auf IE2 über, um jetzt bei IE3 zu liegen.

    Japan hat seine nationalen Vorschriften mit den IEC-Effizienzklassen harmonisiert und in 2014 Elektromotoren der Stufen IE2 und IE3 in sein Top Runner-Programm aufgenommen. Das 1998 eingeführte Top Runner-Programm zwingt die japanischen Automobilhersteller, immer wieder neue Modelle auf den Markt zu bringen, die energieeffizienter sind als die Vorgängergenerationen und damit Emulation und Energieinnovation forcieren.

    Indien besitzt seit 2009 ein komparatives Effizienzlabel sowie seit 2012 eine nationale Norm mit Niveau IE2.

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