Kompakte, stromsparende Antriebe nicht nur für Haushaltsgeräte

EC-Motoren verbessern die Effizienz

Steigende Stromkosten und strengere Vorschriften zur Energieeffizienz sind ein starker Anreiz, Automatisierungstechnik und Haushaltsgeräte auf moderne Antriebe umzustellen. Neben deutlich geringerem Stromverbrauch zeichnen sich die neuen, elektronisch kommutierten Motoren (EC-Motoren) meist auch durch deutlich kompaktere Abmessungen bei gleicher oder sogar besserer Leistung aus. Welche Vorteile das für Maschinen, Anlagen und Geräte mit sich bringt, zeigt sich zum Beispiel beim Einsatz in Haushaltsgeräten. Die sogenannte weiße Ware stellt heute durchaus vergleichbare Anforderungen an die Antriebstechnik wie sie auch in der Industrie bei kleinen Antrieben üblich sind. Einige Einsatzszenarien zeigen im Folgenden die Vorteile der EC-Technik gegenüber herkömmlichen Lösungen.

Sollen bestehende Antriebe ersetzt werden, sind oft die vorhandenen Befestigungspunkte und Abstände zu berücksichtigen. Sogenanntes Drop-In-Replacement, also das einfache Austauschen der Motoren bei identischen Abmessungen der relevanten Teile ist dann gefragt. Dabei können Bauform und Abmessungen durchaus variieren, Wellendurchmesser und Länge bzw. Schwingungsdämpfer und Bohrungsdurchmesser der Montagelaschen sollten jedoch identisch ausfallen. Da (Einbau-)Geräte im Haushalt meist mit Standardabmessungen gefertigt werden, erhöhen kleinere Antriebe das Nutzvolumen. Zudem erleichtern sie den Einbau von Teilen für neue Komfort-Funktionen. Neben diesen mechanischen Anforderungen sind heute zunehmend gesetzliche Auflagen zu erfüllen. Sowohl in der EU als auch den USA, in Kanada und weiteren Ländern gibt es eine ganze Reihe von Gesetzen und Richtlinien, die je nach Einsatzgebiet Mindestanforderungen an die Energieeffizienz von Geräten stellen. In der EU schafft hierzu die Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG den notwendigen Rahmen zur Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte (Energy-related Products, ErP). Zusammen mit dem Energielabel auf den Haushaltsgeräten von A+++ bis zu G soll so der gesenkte Energieverbrauch transparent dargestellt werden. Dabei sind je nach Einsatzfall schon kleine Einsparungen wichtig, um auf dem Markt mit einem besseren Label für höhere Effizienz werben zu können.

Was bedeutet das nun in der Praxis?

Vielfach erfüllen einfache Motorenkonstruktionen wie Spaltpol- oder Asynchronmotoren nicht mehr die heutigen Anforderungen an Energieverbrauch und Leistungsdichte. Motoren- und Ventilatorenhersteller wie ebm-papst Landshut setzen daher auch bei kleinen Leistungen auf flexibel einsetzbare, elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren. Diese kleinen Synchronmotoren zeichnen sich im Gegensatz zu herkömmlichen asynchronen Spaltpolantrieben durch einen hohen Wirkungsgrad aus. In manchen Fällen übernimmt die Kommutierungselektronik nebenbei sogar noch die Funktion eines Weitspannungseingangs. Solche Motoren können ohne Änderung in fast allen gängigen Stromnetzen der Welt betrieben werden. Anpassungen der Drehzahlen wegen unterschiedlicher Netzfrequenzen (50 oder 60 Hz) entfallen. Durch ihren ausgeklügelten Aufbau lassen sich diese Motoren platzsparend in eine Vielzahl von Anwendungen integrieren. Drei Antriebsbeispiele, ein kompakter Motor für ein doppelseitig saugendes Haubengebläse, ein Antrieb für Kühltheken und -schränke, Kühltruhen oder Kühl-/Gefrierkombinationen und ein Radiallüfter zu Trocknungszwecken zeigen das Potential der EC-Motoren auf.

Radiallüfter für Absaugeinrichtungen

Sollen große Luftmengen bei mittlerer bis höherer Druckerhöhung gefördert werden, sind doppelseitig saugende Radiallüfter ideal geeignet. Sie kommen sowohl im Haushalt als auch bei technischen Lösungen zum Einsatz beispielsweise bei Dunstabzugshauben oder Lötrauchabsaugungen.

Neben der verbesserten Energieeffizienz ist ein möglichst geringes Betriebsgeräusch gefragt. Haubengebläse wie z.B. der VHD 0146 werden daher als Gesamteinheit aus Motor, Lüfterrad und Lüftergehäuse mit entsprechendem Ein- bzw. Auslass aerodynamisch optimiert angeboten.

EC-Motoren eröffnen durch ihre kompakte Bauform mehr Freiraum für die aerodynamische Auslegung und lassen sich zudem einfach über die Kommutierungselektronik, z.B. per Pulsweitenmodulation, in ihrer Drehzahl bzw. Luftleistung regeln. Je nach Motormodell und Lüfterbaureihe können zusätzliche Funktionen wie ein Feuchte- oder Temperatursensor für eine automatische Belüftung integriert werden.

Kälteanwendungen

Bei modernen Kühlgeräten wird der Luftstrom sowohl im Gerät als auch außen am Verflüssiger durch einen Lüfter optimiert. So lassen sich z.B. in Kühlgeräten die Temperaturschichtung aufheben oder durch gezielte Strömung, also „Kaltluftzirkulation“, Frischezonen einrichten aber auch die Taubildung vermeiden. Ein gezielter Luftstrom durch den Verflüssiger verbessert den Wärmeübergang. Dadurch wird der Kühlkörper kompakter und die Effizienz des Kühlgerätes steigt bei gleichzeitig größerem Nutzinhalt. Um auch bei bestehenden Geräten die Effizienz von EC-Motoren nutzen zu können, haben die Landshuter Spezialisten den Motor DE 20 speziell für Kühl- und Gefriergeräte entwickelt. Die Durchmesser und Länge der Welle entsprechen denen der bisherigen Spaltpolmotoren, so dass der Abstand vom Lüfterrad zum Wärmetauscher (Verdampfer oder Verflüssiger) beibehalten werden kann. Ein glattes Gehäuse umschließt Motor und Elektronik, der Anschluss wird wie bisher über ein zweipoliges Kabel hergestellt. Die Abmessungen am Gehäuse entsprechen mit einer Bauhöhe von 40 mm dem am häufigsten eingesetzten Standardmaß. Durch die elektronische Kommutierung ist die Motordrehzahl von der Netzfrequenz entkoppelt, d.h. man kann den Lüfter in Größe und Form nach rein aerodynamischen Gesichtspunkten auswählen und die Drehzahl anpassen. Standarddrehzahlen von 2200 oder 2500 U/min kombiniert mit einem vierblättrigen Lüfterrad mit 100 mm Durchmesser passen dann in viele Kühlgeräte als Drop-In-Replacement. Bei der Modernisierung von Geräteplattformen lässt sich so auf einfache Weise der Energieverbrauch senken.

Zeitsparendes und effizientes Trocknen von Wäsche

Benötigt man hohe Luftleistung bei größerer Druckerhöhung, sind Radiallüfter ideal geeignet. Sie kommen beispielsweise bei Wäschetrocknern oder auch Waschtrocknern zum Einsatz. Aus Effizienzgründen setzt man in solchen Geräten vermehrt auf Wärmepumpensysteme. Diese heizen die Luft auf zum Trocknen der Wäsche in der Trommel. Danach entzieht die Wärmepumpe im Kreislauf der feuchtwarmen „Abluft“ die Wärme, scheidet das Wasser ab und erwärmt mit der recycelten Energie die nun kalte, trockene „Zuluft“ wieder. Es müssen nur noch minimale Wärmeverluste zusätzlich zugeführt werden, was den Stromverbrauch senkt. Allerdings benötigen zusätzliche Aggregate wie Wärmepumpe mit Kompressor, Verflüssiger und Verdampfer Bauraum. Auch stieg die Kapazität der Wäschetrommeln im Laufe der Zeit von rund 5 kg auf bis zu 15 kg an. Beide Faktoren begrenzen den Bauraum für weitere Komponenten, da die Standardaußenmaße für Haushaltsgeräte gleich blieben. Ein neuer, sehr kompakter Radiallüfter kommt diesem Trend entgegen. Der Radiallüfter R3G 150 mit EC-Antrieb (Bild 3) kann hier mit seiner kompakten Bauform auch bei begrenztem Bauvolumen eine hohe Luftförderleistung bieten. Verglichen mit bisherigen AC-Lösungen steigt das Leistungspotential sowohl bei der Druckerhöhung als auch beim Volumenstrom. Ein höherer Luftstrom bei höherem Druck erlaubt eine kompaktere Lüfterbauweise. Durch eine höhere Motordrehzahl durch den Einsatz von EC-Technik kann das aerodynamisch angepasste Lüfterrad kleiner ausfallen. Der so geschrumpfte Lüfter findet dann Raum in der kleinsten Ecke.

Steigende Anforderungen an Motoren bei der Energieeffizienz und der Trend nach immer kompakteren Abmessungen bei dazu noch höherer Leistung begegnen die Entwickler mit maßgeschneiderten EC-Motoren. Kompakte Abmessungen, Drehzahlen unabhängig von der jeweiligen Netzfrequenz und Bauformen, die per Plug-and-play austauschbar sind, machen die neuen Antriebe zur idealen Spar-Alternative. Je nach Anwendungszweck, Betriebsweise und Bauart liegt das Potential zur Energieeinsparung bei bis zu 70 %. Geräteherstellern ermöglicht dies die schnelle und einfache Modernisierung von Geräteplattformen bestehender Haushaltsprodukte im Idealfall sogar durch Drop-In-Replacement.

Alle Bilder: ebm-papst