Bild 01: Die bürstenlosen DC-Motoren von Oriental Motor verbrauchen dank ihrer hohen Effizienz deutlich weniger Energie als Induktionsmotoren. (Quelle: Oriental Motor (Europa))
Um die CO2-Neutralität in der Wirtschaft zu erreichen, sind gewaltige Anstrengungen nötig. Es reicht nicht aus, die Kapazitäten an erneuerbaren Energieträgern massiv auszubauen. Auch der Stromverbrauch der Industrie muss sinken: Laut der Internationalen Energie-Agentur IEA werden mehr als 50 % der global erzeugten Energie für den Betrieb von Elektromotoren genutzt [1]. Hier liegt also ein enormes Einsparpotenzial, das Unternehmen durch die Wahl des richtigen Antriebs leicht heben können.
Induktionsmotoren versus DC-Motoren
Induktionsmotoren arbeiten weniger effizient als bürstenlose DC-Motoren – das hängt mit ihrem Aufbau zusammen. Dieser besteht aus einem Stator mit Wicklungen aus Kupferdraht, die von einem Gehäuse aus laminierten Elektroblechen umgeben sind, und einem Rotor (Bild 2). 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 (Bild 3). Diese Verluste sind der Hauptgrund für die geringere Effizienz von Induktionsmotoren gegenüber bürstenlosen DC-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 DC-Antrieb. Besonders bei niedrigen Drehzahlen und geringen Drehmomenten verschlechtert sich so der Wirkungsgrad der Induktionsmotoren gegenüber dem bürstenloser 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. Es gibt allerdings einen großen Unterschied zu Induktionsmotoren: In den Rotor von Synchronantrieben wird 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.