Werkstoffe Kupfer schlägt Alu

Käfig aus Kupferguss ermöglicht klein bauende Energiesparmotoren mit deutlich besserem Lastwechselverhalten und höherer Leistung.

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Käfig aus Kupferguss ermöglicht klein bauende Energiesparmotoren mit deutlich besserem Lastwechselverhalten und höherer LeistungEnergiesparmotoren, also Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren mit hohem Wirkungsgrad für allgemeine industrielle Anwendungen, werden von allen namhaften Herstellern weltweit seit einigen Jahren angeboten. In Nordamerika (USA, Kanada) besteht dazu sogar eine gesetzliche Verpflichtung. Um den Wirkungsgrad zu verbessern wurde herstellerseitig, neben dem Einsatz von Elektroblechen mit geringeren Verlusten, hauptsächlich die elektromagnetische Ausnutzung des Motors reduziert. Dies bedeutet aber auch eine deutliche Vergrößerung der Motorabmessungen.Weil der im Läufer des Motors eingegossene Käfig einen wesentlichen Anteil an den Verlusten und damit am Wirkungsgrad hat, überlegte man sich bei SEW, diesen Teil des Motors zu verbessern: Denn durch Verwendung von Kupferguss anstelle von Aluminiumguss kann der elektrische Widerstand, und damit die Verluste, um über 40% gesenkt werden. So ist es möglich, den Wirkungsgrad deutlich zu steigern, ohne die Nachteile der anderen Maßnahmen in Kauf nehmen zu müssen. Die Schwierigkeiten der Kupfer-Druckgusstechnik bestehen in der Sicherstellung der Reinheit der Schmelze und in der hohen Gießtemperatur von rund 1100 °C gegenüber rund 700 °C für Aluminium. Diese Probleme wurden in Zusammenarbeit mit Partnern soweit gelöst, dass eine wirtschaftliche Serienproduktion heute möglich ist.Für den Anwender ergeben sich folgende Vorteile:- Kleineres Bauvolumen gegenüber leistungs- und wirkungsgradgleichem Aluminiumläufermotor;- Steiferer Drehzahldrehmoment-Verlauf, dadurch besseres Lastwechselverhalten, speziell bei Umrichterbetrieb mit kleinen Drehzahlen.- Höhere Drehzahl im Kipppunkt, dadurch deutlich höhere maximale Motorleistung;- Hoher Wirkungsgrad über den gesamten Leistungsbereich spart auch schon bei Teillast Energie;- Geringere Zusatzverluste, so wird der von IEC 34-2 vorgegebene Fixwert (0,5%-Punkte) besser erreicht als bei herkömmlichen Motoren.Verluste in Drehstrom-AsynchronmaschinenDer 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 (Leistungsbereich etwa 1 bis 100 kW, Netzdrehzahl zirka 750 bis 3000 min-1) werden in fünf Anteile aufgeteilt, die sich jeweils durch ihre physikalischen Ursachen unterscheiden. Am Beispiel eines typischen 5,5-kW-Motors in herkömmlicher Technik 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 klein 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 haben wesentlichen AnteilEisenverluste 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 zwischen 15 und 25%. Wirbelstromverluste werden bekämpft, indem man das Statoreisen aus einzelnen, möglichst gut gegeneinander isolierten Blechen zusammensetzt.Durch Verkleinern 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; allerdings mit dem Nachteil, dass diese Bleche meist einen höheren Blindstrombedarf haben, das heißt, der Leistungsfaktor (cos phi) sinkt und der Leerlaufstrombedarf des Motors steigt. In unserem Beispiel kann der Wirkungsgrad des 5,5-kW-Motors von 85,4% durch Einsatz von speziellem Blech auf 86,3% deutlich verbessert werden. Wenn Elektronen durch einen Leiter fließen, entstehen durch den Leiterwiderstand Leistungsverluste (I2 xR).Beim Elektromotor passiert dies sowohl im Stator (Kupferdrahtwicklung) als auch im Rotor (üblicherweise ein Aluminium-Druckgusskäfig). 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 fast konstanten Anteil von 20 bis 30% an den Gesamtverlusten.Die Formel I2 x R 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.Dieser vermeintliche Widerspruch (größerer Motor = weniger Verluste) erklärt sich dadurch, dass der größere Motor mit geringerer Ausnutzung (und damit kleinerem Strom) betrieben wird. Weil der Strom quadratisch an den Verlusten beteiligt ist, fällt der gleichzeitig vergrößerte Wicklungswiderstand nicht so sehr ins Gewicht. 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 Durchmesservergrößerung wäre sicher noch mehr möglich. Eine weitere Möglichkeit besteht, wie bereits angedeutet, 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.Kupferdruckguss ersetzt AluminiumSEW 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 Kupferdruckguss ersetzt. Der elektrische Leitwert verbessert sich von rund 33 auf 56 m / (Ohm mm2). 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 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 dem Sammelbegriff Zusatzverluste fasst man alle weiteren Verluste zusammen, die sich in elektrischen Maschinen hauptsächlich aus „Schmutzeffekten“ ergeben (beispielsweise Querströme zwischen den Stäben des Käfigs, 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 um bis zu 25% reduziert werden. 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.Verlustbilanz am Beispiel eines 5,5-kW-MotorsDas Bild 2 zeigt Messergebnisse der serienmäßig verfügbaren 5,5-kW- Motoren von SEW mit erhöhtem Wirkungsgrad eff2 (DV132S4) und als Energiesparmotor mit Kupferläufer eff1 (DVE132S4). Für den Energiesparmotor DVE132S4 wurden mehrere der genannten Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrades umgesetzt (bessere Blechqualität, Vergrößerung des Aktivmaterials, Kupferläufer). Nur der Kupferdruckgusstechnologie ist es zu verdanken, dass der Motordurchmesser trotz deutlich gesteigertem Wirkungsgrad (Bild 3) gehalten werden konnte und die erforderliche Mehrlänge mit 40 mm sehr klein ausgefallen ist.Erfreulicherweise kann gesagt werden, dass durch das höherwertige Material auch andere Motoreigenschaften, die für den Anwender wichtig sind, deutlich positiv beeinflusst werden. Aufgrund des kleineren Rotorwiderstands ergibt sich über den gesamten Leistungsbereich (auch bei Teillast), eine Verbesserung des Wirkungsgrades. Der manchmal bei Energiesparmotoren mit Aluminiumläufer beobachtete Effekt, dass der Wirkungsgrad mit Teillastbereich noch unter den des Standardmotors abfällt, tritt nicht auf. Die Kippdrehzahl des Kupferläufers ist deutlich kleiner, der Drehzahl-Drehmomentverlauf damit erheblich steiler (Bild 4). Daraus ergeben sich zwei Vorteile:Zum einen steigt die Überlastfähigkeit (die Kippleistung) des Motors um bis zu 20%, denn Leistung ergibt sich 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 kleiner die Speisefrequenz ist und je langsamer der Motor dreht. Der Einsatz von Energiesparmotoren lohnt sich technisch und ökonomisch immer dann, wenn folgende vier Bedingungen erfüllt sind:- Hohe tägliche Betriebsstundenzahl- Überwiegender Betrieb mit hoher Auslastung- Wenige Anfahr- oder Abbremsvorgänge- Kombination mit Getrieben, die ebenfalls einen hohen Wirkungsgrad haben.Typische Anwendungen sind kontinuierlich laufende Förderantriebe (Bandförderer, Kettenförderer, Schneckenförderer), Rollenbahnen, Magnetrührer, Kühlturmantriebe und natürlich alle Arten von Pumpen und Lüftern.Das Beispiel eines 4-kW-Motors zeigt (Tabelle): Bei einem Mehrpreis des Energiesparmotors von 120Euro, einem angenommenen Rabatt von 20%, einer typischen Verzinsung des eingesetzten Kapitals von 6% jährlich und Energiekosten von 0,08 €/kWh ergibt sich je nach täglicher Nutzungsdauer eine Amortisation zwischen wenigen Monaten bis zu knapp drei Jahren. Es ist einzusehen, dass Energiesparmotoren bei manchen Anwendungen nicht sinnvoll sind.Dazu zählen neben ausgesprochenen Taktantrieben (Palletierer, Hubantriebe) vor allem solche Anwendungen, die nur äußerst kurze Betriebszeiten haben (Garagentorantriebe, Schrankenantriebe). Auch die Kupfertechnologie kann nicht verhindern, dass Energiesparmotoren eine höhere Rotormasse haben als Standardantriebe. Für bestimmte hochdynamische Anwendungen sind letztere daher vorzuziehen. Abschließend sei angemerkt, dass durch Verbesserung der Prozesse beim Kunden noch erheblich mehr Energie eingespart werden kann, als mit Energiesparmotoren alleine.