Fachartikel vom 10/26/2012

Green-Tech in der Umsetzung bei Herstellung und Betrieb von EC-Motoren

Erst denken, dann sparen

Moderne Antriebe und Lüfter sparen Strom, Betriebskosten und schonen die Umwelt – wenn man bereits bei der Herstellung auf durchdachte Rohstoffauswahl und ausgeklügelte Fertigungsmethoden setzt.

Moderne leistungsstarke LED-Scheinwerfer werden im KFZ zunehmend für Abblendlicht und Fernlicht eingesetzt. (Bild: ebm-Papst)

In der heutigen Zeit zählt für den Erfolg eines Produktes nicht nur die Leistung und Effizienz während des Betriebs, sondern auch die Produktion und spätere Entsorgung muss berücksichtigt werden. Diese gesamtheitliche Betrachtung ist in vielen Bereichen schon gesetzlich geregelt und hat oft auch in der Firmenphilosophie von Produzenten und Anwendern Einzug gefunden. Auch ebm-Papst macht hier keine Ausnahme. Der Spezialist für Lüfter und kleine Elektroantriebe geht sogar noch einen Schritt weiter: Der Begriff Green-Tech bezeichnet das Ziel, dass jedes neu entwickelte Produkt seinen Vorgänger ökonomisch und ökologisch übertreffen muss. In der Praxis bedeutet das, höhere Leistung bei weniger Verbrauch und geringerer Umweltbelastung über den gesamten Produktzyklus.

Effizienz und Nachhaltigkeit

Möglichst effiziente Motoren für die Luft- und Antriebstechnik zu fertigen war schon immer das Ziel der Schwarzwälder Entwickler. Schließlich lassen sich Produkte besser verkaufen, wenn sie weniger Strom benötigen bei gleicher oder sogar besserer Leistung als die Vorgängermodelle oder die der Konkurrenz. Dies gilt besonders bei hochwertigen Komponenten mit sehr langer Einsatzdauer. Hier summieren sich selbst kleinste Einsparungen im Lauf der Jahre zu stattlichen Beträgen. Bei der Motorentechnik setzte das Unternehmen daher schon vor Jahren auf die konsequente Einführung besonders sparsamer EC-Technik. Im Vergleich zu althergebrachten Spaltpolmotoren mit Wirkungsgraden weit unter 50 Prozent, sparen die elektronisch kommutierten Antriebe mit durchschnittlich deutlich über 85 Prozent Wirkungsgrad erhebliche Stromkosten ein. Diese Effizienzsteigerung geht einher mit einer verbesserten Leistungscharakteristik der Motoren; die motorinterne Elektronik passt die Kommutierung immer optimal an die bestehende Belastung an. Dies gilt für alle Einsatzbereiche der Motoren, egal ob klassischer Antriebsmotor oder integriertes Antriebselement in Kompaktlüftern.

Durch die verschleißfreie Kommutierung steigt die Lebensdauer zudem erheblich an, mehrere zigtausend Stunden wartungsfreien Betriebs sind mit kugelgelagerten EC-Motoren heute Standard. Das Konzept erlaubt auch erhebliche Materialeinsparungen bei der Konstruktion. Die magnetische Flussdichte wird per Simulation optimiert und das notwendige Material zum Beispiel für Eisenrückschluss et cetera exakt dimensioniert. In einer weiteren Ausbaustufe kann die Elektronik sogar Bremsenergie aus dem Antrieb ins Versorgungsnetz zurückspeisen, der Antrieb wird im 4-Quadrantenbetrieb so zum Generator. Diese rein auf den Motor bezogenen Fortschritte werden dann durch Maßnahmen ergänzt, die die Besonderheiten des Einsatzumfeldes berücksichtigen. So sind aerodynamische Verbesserungen bei Lüftern oder besonders leicht und ruhig laufende Getriebe für die Fördertechnik ein weiteres Standbein für das Einsparpotential. Dazu ein Beispiel in Zahlen: Die EC-Lüftervariante spart bei Dauerbetrieb über zehn Jahre rund 1.300 kWh gegenüber einem gleichgroßen AC-Lüfter ein. Bei angenommenen Energiekosten von 0,12 Euro/kWh macht das eine finanzielle Entlastung von 156 Euro über die Betriebszeit aus. So amortisiert sich der moderne Lüfter im Dauerbetrieb schon nach nur drei Monaten. Bei abweichenden Bedingungen oder größeren Lüftern können die Einsparungen noch erheblich größer ausfallen. Werden mehrere Lüfter pro Anwendung eingesetzt, so ergibt sich schnell ein erhebliches Sparpotential bei den Betriebskosten und dem CO2-Fußabdruck der Produktion.

Kompakte Förderrollen

Ein kompakter Motor mit interner Elektronik sowie angeflanschtem Getriebe bietet große Vorteile bei Konstruktion und Betrieb von Antriebsrollen. (Bild: ebm-Papst)

Gerade bei der Stückgutförderung haben sich Rollenförderbahnen als zuverlässige Transporteinrichtung bewährt. Herzstück solcher Anlagen sind robuste Förderrollen mit integrierten Antrieben. Mit dem besonders effizienten Motor ECI 42, der je nach Ausführung Leistungen von rund 45 beziehungsweise 90 W bei 110 beziehungsweise 220 mNm Nenndrehmoment zur Verfügung stellt, lassen sich so Rollen aufbauen, die auch schwere Nutzlasten (Karton, Behälter, Stückgut) mit hohem Durchsatz befördern. Die kompakte Ausführung der Antriebsrolle mit Motor und motorinterner Elektronik sowie angeflanschtem Getriebe bietet große Vorteile bei der Konstruktion und im Betrieb. Es gibt keine störenden Konturen, die man berücksichtigen müsste beziehungsweise an denen sich Fördergut verhaken kann. Der Green-Tech-Gedanke zeigt sich in der materialsparenden Ausführung und dem energieoptimierten Antrieb mit angeflanschten ein- und mehrstufig ausgelegten Getriebe-Modulen von 3:1 bis 150:1. Damit können aus den 110 beziehungsweise 220 mNm des Motors 0,3 bis 10 Nm Drehmoment an der Abtriebswelle gewonnen werden.

Die hochintegrierte Elektronik mit geringsten Eigenverlusten erlaubt den 4-Quadrantenbetrieb mit Energierückspeisung. Durch eine intelligente Ansteuerung der Antriebe, power on demand, lässt sich zudem der Leerlaufverbrauch gegen Null reduzieren. Die Energieeinsparung durch den hohen Wirkungsgrad aller Komponenten bietet dabei gleich zwei Vorteile: Zum einen wird natürlich die teure Edelenergie Strom eingespart, zum anderen sinkt die Verlustwärme in der Antriebsrolle. Das wiederum verbessert deutlich die Lebensdauer aller Komponenten. Sowohl der Motor als auch die Elektronik und die mechanischen Komponenten in Getriebe und Lagerung profitieren von einem geringeren Temperaturniveau. Die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage steigt, die deutlich höhere Verfügbarkeit auch im Langzeitbetrieb rund um die Uhr verbessert die Umweltbilanz zusätzlich.

Kühlung unterstützt Energiesparen

Temperaturschwankungen und härteste Schläge im Fahrbetrieb machen den Lüftern im Scheinwerfer nichts aus. (Bild: ebm-Papst)

Moderne Technik spart gegenüber herkömmlichen Lösungen oft erhebliche Mengen an Energie. Gleichzeitig geht der Trend zu immer kompakteren Einheiten. Trotz deutlich geringerer Eingangsleistung kann so durch die Konzentration der Abwärme auf eine kleine Fläche eine aktive Kühlung notwendig werden. Ein klassisches Beispiel dafür sind moderne leistungsstarke LED-Scheinwerfer, die im KFZ zunehmend für Abblendlicht und Fernlicht eingesetzt werden. Sie verbrauchen gegenüber Glüh- oder Gasentladungslampen weniger Energie (40 Prozent weniger als Halogen-, bis zu 90 Prozent weniger als Glühlampen) und bieten eine robustere Technik. Da die aktiven Halbleiterflächen von Hochleistungs-LEDs sehr klein sind und eine gewisse Temperatur nicht überschreiten dürfen, muss der Chip aktiv gekühlt werden. Hinzu kommt die den Chip ansteuernde Leistungselektronik, die ebenfalls sehr kompakt baut und daher unterstützend gekühlt werden muss. Hierzu werden nun kleine EC-Lüfter in der Scheinwerfereinheit eingesetzt. Die Wärmequelle LED ist auf Kühlkörpern montiert, der Kühlluftstrom wird über Leitvorrichtungen auf die Kühlkörper geblasen. Die Chiptemperatur der LED wird so deutlich abgesenkt, die Lebensdauer steigt. Lange Betriebszeiten bei der im KFZ üblichen Temperaturspanne werden durch spezielle Kugellager mit optimierter Schmierung erreicht. So ist sichergestellt, dass große Temperaturschwankungen und härteste Schläge im Fahrbetrieb weder die Schmierung noch das optimale Laufspiel von Rotor und Stator beeinträchtigen.

Die im Lüfter angebrachte Leiterplatte mit der Ansteuerelektronik wird durch einen speziellen Isolierlack geschützt. Bei Bedarf lässt sich die Drehzahl regeln. Das Lüfterrad selbst ist mit einem Sichelflügelprofil mit Winglets ausgeführt. So erreicht man hohe Luftleistung und hohen Druckaufbau bei minimaler Leistungsaufnahme und geringem Betriebsgeräusch. Die erwärmte Abluft wird erneut genutzt, um den Scheinwerfer bei feuchter Witterung beschlagfrei zu halten. Die geringe Abwärmestrahlung der „kalten LED-Scheinwerfer“ alleine reicht dazu nicht aus. Der Lüfter arbeitet hier nebenbei also als „Fensterputzer“ und verbessert so Sicherheit und Lebensdauer des Scheinwerfers gleichermaßen. Gefragt sind hier für den Lüfter neben der guten Effizienz, um den Gesamtwirkungsgrad der Leuchteinheit hochzuhalten, eine möglichst große Laufruhe. Aerodynamische Optimierung senkt den Stromverbrauch und das Betriebsgeräusch. Moderne, effiziente EC-Antriebstechnik bietet über die Elektronik die Möglichkeit, den Motor auf viele Einsatzbereiche optimal abzustimmen. Nicht nur bei Lüftern lassen sich so aerodynamische und anwendungsspezifische Vorteile durch die intelligente, kompakte Motortechnik besser nutzen, auch bei normalen Antrieben bietet die elektronische Kommutierung mit Feinabstimmung erhebliches Einsparpotential. Weniger Verbrauch bei höherer Leistung ist die Folge. Die lange Lebensdauer ohne Wartung spart zusätzlich Arbeitszeit und Kosten. Elektronisch kommutierte Antriebe verbinden damit ein hohes Energie-Sparpotential mit längerer Nutzungsdauer und größerem Anwendernutzen. (il)

Autoren:

Johannes Hirt ist Projektleiter Entwicklung Automobile-Lüfter bei ebm-Papst, Andreas Zeiff arbeitet im Redaktionsbüro Stutensee.