- Elektrolytkupfer (Reinkupfer)
- Elektrische und
thermische Leitfähigkeit - Zugfestigkeit und Warmfestigkeit
- Eignung für
Hochdrehzahlkonzepte - Stückpreis
- Ihre Vorteile
- Elektrolytkupfer (Reinkupfer)
- maximal
- mittel
- mäßig
- mittel
- Ihre Vorteile
- Reinkupfer-Mikrolegierung
- sehr hoch
- höher
- sehr gut
- höher
- Ihre Vorteile
Der Drehstrom-Asynchronmotor ist dank seines einfachen und robusten Aufbaus sowie seiner Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit der mit Abstand am weitesten verbreitete Drehstrommotor für industrielle Antriebe.
Für diese Induktionsmotoren sind die neuen Wirkungsgradziele bzw. Normvorgaben nach IEC 60034-30 (IE3 Premium Efficiency und IE4 Super Premium Efficiency) mit dem verbreiteten Aluminium als Käfigläufermaterial nur sehr schwer oder auch gar nicht zu erfüllen. Synchronmotoren mit der viel versprechenden Permanentmagnet-Technologie als Alternative zum Asynchronmotor erreichen auch sehr hohe Wirkungsgrade. Hier gilt es aber, eine andere Technologie mit ihren verbreiteten Problemen zu beachten, wie z.B. die erforderliche Verwendung von Umrichtern, die schwierige Preis- und Versorgungssituation der seltenen Erden sowie die nicht gelöste Wiederverwertbarkeit.
Daher bietet der gegossene Kupferrotor die einfachste Lösung, um einen hohen Motorwirkungsgrad entsprechend der IEC 60034-30 Effizienzklassen IE3 und mitunter sogar IE4 zu erreichen – und das bei unveränderter Baugröße!
Technologiesprung in Richtung höherer Wirkungsgrade:
Der Austausch von Aluminium durch Kupfer als Leiterwerkstoff im Käfigläufer ermöglicht die Realisierung der modernen Effizienzklassen. Diese neue Technologie trägt durch die bessere Leitfähigkeit des Kupfers zur Senkung der Verluste bis zu 25 % bei, bietet aber noch weitere technische Vorteile:
Geringere Eisenverluste*
Eine Reihe von Versuchen bei verschiedenen Glühtemperaturen hat ergeben, dass die hohe Gießtemperatur des Kupfers nicht tief in das Eisen eindringt, da die Wärmeleitfähigkeit des Eisens nur ein Zehntel der von Kupfer beträgt. Die Eisenverluste werden kleiner und die Magnetisierbarkeit nimmt zu.
Geringeres Anlaufmoment*
Durch den Einsatz von Kupfer statt Aluminium wird der Widerstand in der Kurzschlusswicklung des Läufers geringer – und daher auch das Anlaufmoment.
Mehr Drehmoment*
Der Vorteil des Kupferläufers wird für eine erhöhte Leistungsdichte genutzt, also für eine geringere Baugröße oder mehr Leistung aus gleicher Baugröße.
Elektrostahl
Es muss nicht unbedingt hochwertiges Blechmaterial wie z.B. M270-35 verwendet werden, um den gewünschten IE3-Wirkungsgrad zu erreichen. M270-35 ist mit Si und Al hochlegiert und führt zu erhöhtem Werkzeugverschleiß und damit zu einer geringeren Stanzwerkzeug-Lebensdauer. Durch Silizium nehmen die Stanzpaketierbarkeit und die Schweißbarkeit zu, aber der Magnetisierungsbedarf wird höher.
Die Anschaffungskosten eines Motors im industriellen Einsatz betragen weniger als 4 % der Betriebskosten. Dies muss im Vergleich zu den Energiekosten gesehen werden, die einen Anteil von bis zu 97,7 % ausmachen können:
Auch wenn die Anschaffungskosten für hocheffiziente Drehstrom-Asynchronmotoren zunächst höher sind, so amortisieren sie sich aufgrund der Energiekosteneinsparungen innerhalb kurzer Zeit. Es sollte bei Investitionsentscheidungen stets die Gesamtwirtschaftlichkeit eines Antriebssystems mit einer Lebenszykluskosten-Betrachtung (LCC-Betrachtung) bewertet werden.
Die jährliche Energiekosten-Ersparnis kann ebenfalls nach folgender Formel berechnet werden:
∆K: Ersparnis in Euro
tb: Jahresbetriebszeit in h
PN: Motor-Nennleistung in kW
FL: Lastfaktor (Auslastungsgrad) in % der Nennleistung PN
KE: Strompreis in Euro/kW
ηStd: Wirkungsgrad Standardmotor
ηIE: Wirkungsgrad des Energiesparmotors gehobener IE-Klasse
(Quelle: „Sparen mit dem Sparmotor“, Deutsches Kupferinstitut)
Energiesparmotoren mit Kupferrotoren lohnen sich nicht nur technisch, sondern auch ökonomisch!
Es lässt sich auch eine ökologische Amortisationszeit angeben. Diese ist noch kürzer: ein effizienterer Motor hat in einigen Wochen bis spätestens wenigen Monaten so viel Energie eingespart wie zur Gewinnung des zusätzlichen alternativen Aktivmaterials erforderlich war.
(Quelle: „Sparen mit dem Sparmotor“, Deutsches Kupferinstitut)
Schonung von Ressourcen
Heute werden verbrauchte Produkte wiederverwertet und in Stoffkreisläufe eingegliedert. Der Kupferrotor besteht aus leicht trennbarem Kupfer und Eisen und stellt somit nach Ablauf der sehr langen Nutzungsdauer keinen Abfall, sondern eine begehrte Rohstoffquelle dar.
Zusammengefasst:
Die Kupfer-Druckgusstechnik erfordert eine hohe Reinheit der Schmelze und eine Gießtemperatur von ca. 1200°C. Diese Voraussetzungen wurden geschaffen, damit ist eine wirtschaftliche Serienproduktion nun möglich. Um den Wirkungsgrad von Energiesparmotoren weiter zu verbessern, kann der im Läufer des Motors eingegossene Käfig mittels Kupfer- anstelle von Aluminium-Druckguss gefertigt werden.
Es ergeben sich folgende Vorteile:
- Energieeinsparung durch einen hohen Wirkungsgrad über den gesamten Leistungsbereich auch bei Teillast
- Der Drehzahl-Drehmoment-Verlauf ist deutlich steiler
- Höhere maximale Motorleistung durch höhere Drehzahl im Kipppunkt
- Geringere Zusatzverluste
- Ein kleineres Bauvolumen gegenüber einem leistungs- und wirkungsgrad gleichen Aluminiumläufermotor
Der Einsatz von Energiesparmotoren lohnt sich technisch und ökologisch, eine Amortisation ist in Zeiträumen zwischen wenigen Monaten und maximal 3 Jahren möglich.
Forschung am Elektroblech
Übrigens: Eine weitere Wirkungsgradsteigerung für Drehstrom Asynchrom-Motoren ist durch die Verwendung von Silber als Läufermaterial (Silberrotoren) möglich. Diese Rotoren eigenen sich aufgrund der sehr hohen Rohstoffkosten nur für Spezialanwendungen wie beispielweise das Leistungstuning. Wenn Sie mehr über dieses Thema erfahren wollen, zögern Sie nicht uns zu kontaktieren.