Elektromotoren unterscheidet man nach der Art ihrer Magnetfeld-Erzeugung im Rotor zwischen Synchron- und Asynchronantrieben, zu denen auch bürstenlose DC-Motoren und Induktionsmotoren zählen. Aufgrund ihres Aufbaus arbeiten Induktionsmotoren weniger effizient als bürstenlose DC-Motoren. Die Antriebe bestehen aus einem Stator mit Wicklungen aus Kupferdraht, die von einem Gehäuse aus laminierten Elektroblechen umgeben sind, und einem Rotor. Wird eine Wechselspannung angelegt, erzeugt der dabei entstehende Strom beim Durchgang durch die Wicklungen des Stators ein rotierendes Magnetfeld, das durch einen Luftspalt auch den Rotor durchdringt. Der Rotor besitzt einen Kern aus laminierten Elektroblechen und ist in einen Käfigläufer aus Aluminium integriert. Durch das rotierende Magnetfeld gerät er in Bewegung.
Mehr Verluste durch höhere elektrische Leistung
Der in den Rotor induzierte Strom verursacht allerdings auch sekundäre Kupferverluste, die größtenteils durch den ohmschen Widerstand der Wicklung entstehen. Diese Verluste sind der Hauptgrund für die geringere Effizienz von Induktionsmotoren gegenüber bürstenlosen Antrieben. Hinzu kommt, dass sowohl im Stator als auch im Rotor ein magnetischer Fluss erzeugt werden muss. Die zum Drehen des Rotors erforderliche elektrische Leistung ist deshalb bei einem Induktionsmotor höher als bei einem bürstenlosen Antrieb. Besonders bei niedrigen Drehzahlen und geringen Drehmomenten verschlechtert sich so der Wirkungsgrad der Induktionsmotoren gegenüber dem bürstenloser DC-Motoren.
Permanentmagnet macht den Unterschied
Bei bürstenlosen DC-Motoren sind an der Oberfläche des Rotors Permanentmagnete befestigt. Auch hier wird Strom durch die Statorwicklung geleitet, sodass ein rotierendes Magnetfeld entsteht, das den Rotor in Bewegung setzt. Allerdings wird in den Rotor von Synchronantrieben kein Strom induziert. Da bürstenlose DC-Motoren über einen Permanentmagneten verfügen, entstehen zudem keine sekundären Kupferverluste wie bei Induktionsmotoren. Und schließlich genügt dank des Dauermagneten eine geringere elektrische Leistung zum Drehen des Rotors bzw. der Ausgangswelle als beim Induktionsmotor. Die erwähnten Eigenschaften sorgen dafür, dass bürstenlose DC-Motoren deutlich effizienter arbeiten als vergleichbare Induktionsmotoren.
Wirkungsgrad wurde nochmals verbessert
Oriental Motor steigert den Wirkungsgrad ihrer bürstenlosen DC-Motoren zusätzlich durch zwei konstruktive Maßnahmen. So befindet sich der integrierte Schaltkreis mit den Hall Effekt-Sensoren direkt gegenüber der Stirnseite des Rotors, sodass die Position der Rotorpole noch genauer erkannt wird. Darüber hinaus haben die Ingenieure von Oriental Motor die in den Treiber integrierte Technologie zur Steuerung des Motorstroms optimiert. Auch die Verwendung verlustarmer Elektrobleche, die Vergrößerung der Wicklungsfläche und die Verwendung dickerer elektrischer Drähte tragen zu einer Erhöhung des ohnehin hohen Wirkungsgrades der bürstenlosen DC-Motoren bei. Warum Unternehmen mit Connected Engineering schneller, sicherer und wettbewerbsfähiger werden ‣ weiterlesen
Von Insellösungen zum vernetzten Engineering-Ökosystem
Messung mit verschiedenen Methoden
Die Effizienz eines Elektromotors lässt sich mit unterschiedlichen Methoden ermitteln. Eine Möglichkeit besteht darin, die Leistungsaufnahme der Antriebe bei gleicher Ausgangsleistung in einem Arbeitspunkt miteinander zu vergleichen. Dabei zeigt sich, dass bürstenlose DC-Motoren weniger Strom verbrauchen als Induktionsmotoren.
Wird der Motor dagegen mit einem drehzahlvariablen Antrieb betrieben, muss der Wirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich hinweg verglichen werden. Der Grund liegt darin, dass sich der Wirkungsgrad bei diesen Motoren je nach Lastfaktor und Drehzahl ändert. Stellt man Induktionsmotoren und bürstenlose DC-Motoren mit drehzahlvariablem Antrieb einander gegenüber, dann sieht man, dass der bürstenlose DC-Motor über einen größeren Bereich hinweg effizienter arbeitet als der Induktionsmotor.
Praxisnaher Vergleich
An konkreten Anwendungen lässt sich die unterschiedliche Effizienz von bürstenlosen DC-Motoren und Induktionsmotoren am besten verdeutlichen – z.B. anhand eines Förderbandes. Treiben ein bürstenloser DC-Motor und ein Induktionsmotor es mit konstanter Drehzahl an, so verbraucht der bürstenlose Antrieb dafür über ein Jahr hinweg betrachtet 37 Prozent weniger Strom als der Induktionsmotor. Bei einem Betrieb mit Drehzahländerungen ist der Effekt sogar noch größer: Transportiert das Förderband eine Last mit 100 Umdrehungen pro Minute und wird zur Inspektion auf 30 Umdrehungen pro Minute abgebremst, sind sowohl der Stromverbrauch als auch die CO2-Emissionen des bürstenlosen DC-Motors im Jahr 69 Prozent niedriger als die des Induktionsmotors. Das hängt damit zusammen, dass der Wirkungsgrad des bürstenlosen Antriebs durch die Änderung der Drehzahl nur leicht reduziert wird, der des Induktionsmotors jedoch sehr stark.
Bürstenlose Antriebe arbeiten also auch in Anwendungen mit variierender Drehzahl effizienter als Induktionsmotoren. Ein ähnliches Bild ergibt sich beim Einsatz bürstenloser DC-Motoren als Antriebe für Lüfter: Ihr Stromverbrauch ist hier ebenfalls erheblich niedriger als der eines Asynchronantriebs. Sie haben in dieser Anwendung zudem noch einen anderen großen Vorteil gegenüber Induktionsmotoren: Da sich ihre Drehzahl über PWM-Signale oder externe analoge Einstellungen anpassen lässt, können auch die Geräuschemissionen der Ventilatoren reduziert werden.
Kompakter und leichter
Oriental Motor hat vier verschiedene Serien bürstenloser DC-Motoren für Gleich- und Wechselstrombetrieb mit Nennausgangsleistungen zwischen 15 und 400W im Programm. Die Antriebe haben nicht nur einen hohen Wirkungsgrad, sondern sind auch kompakt gebaut. Während ein Induktionsmotor mit Getriebe etwa 200mm lang ist, sind es beim bürstenlosen Antrieb nur 95,4mm. Und statt 4,7kg wie ein Asynchronmotor wiegt ein bürstenloser DC-Motor von Oriental Motor einschließlich Treiber lediglich 3,1kg.
