Perma­nent­erregte Elek­tro­mo­toren sind funk­ti­ons­be­dingt auf Dauer­ma­gnete ange­wiesen. Beson­ders starke Magnete lassen sich im Sinter­ver­fahren aus Mischungen mit Seltenen Erden herstellen, wie beispiels­weise Sama­rium-Cobalt oder Neodym-Eisen-Bor. Nach der künst­li­chen Verknap­pung bei diesen Mate­ria­lien und den daraus resul­tie­renden dras­ti­schen Preis­an­stiegen fallen aktuell die Preise wieder. Da China aber nach wie vor einen großen Teil der Ange­bots­menge kontrol­liert, ist auch weiterhin mit extremen Preis­schwan­kungen zu rechnen und die Verfüg­bar­keit ist eben­falls nicht garan­tiert.

Für die Hersteller von Elek­tro­mo­toren werden auch zukünftig die Kosten für Seltene-Erden-Magnete nur schwer kalku­lierbar sein. Perma­nent­erregte Elek­tro­mo­toren, die beson­ders ener­gie­ef­fi­zient arbeiten, gelten deshalb in Anwen­der­kreisen oft als teuer. Nicht zwangs­läufig ist aber jeder Elek­tro­an­trieb, der mit hohen Wirkungs­graden arbeitet, auch wirk­lich auf die starken Seltene-Erden-Magnete ange­wiesen. EC-Motoren in Außen­läu­fer­bau­weise beispiels­weise, die in ener­gie­spa­renden Venti­la­toren einge­setzt sind, kommen mit „einfa­chen“ und preis­güns­tigen und vor allem auch problemlos verfüg­baren Ferriten aus und das bei Wirkungs­graden von teil­weise über 90 %.

Was ist ein EC-Motor?

Da in der Antriebs­technik die Begriffe nicht unbe­dingt immer eindeutig und klar defi­niert gebraucht werden, ist es sinn­voll, zunächst einmal zu klären, von welchen Motoren im Zusam­men­hang mit der Seltenen-Erden-Diskus­sion eigent­lich die Rede ist. Ob bürs­ten­loser Gleich­strom­an­trieb (BLDC-Motor), BLPM-Motor oder EC-Motor, gemeint ist immer ein perma­nent­erregter Synchron­motor, der mit einer Leis­tungs­elek­tronik – netz­ge­speist oder mit DC-Versor­gung – betrieben wird. Die soge­nannten BLDC / BLPM-Motoren werden in der Regel mit recht­eck­för­migen Strömen betrieben (Block­kom­mu­tie­rung).

Die EC-Motoren können sowohl mit recht­eck­för­migen Strömen als auch mit sinus­för­migen betrieben werden (Sinus­kom­mu­tie­rung). Dadurch wird eine deut­liche Geräusch­ver­bes­se­rung im Vergleich zu recht­eck­för­migen Strömen erreicht. Die Ausfüh­rung mit sinus­för­migen Strömen entspricht dem klas­si­schen Synchron­motor. Die prin­zi­pi­elle Funk­ti­ons­weise des EC-Motors ist einfach zu verstehen (Bild 1):

Bild 1: Explo­si­ons­mo­dell eines perma­nent­erregten Synchron­mo­tors, auch bürs­ten­loser Gleich­strom­motor oder EC-Motor genannt.

Der mit Perma­nent­ma­gneten bestückte Rotor dreht sich synchron mit dem Dreh­feld des Stators. Im Unter­schied zum netz­ge­speisten Asyn­chron­motor ist die Rotor­dreh­zahl dabei nicht auto­ma­tisch an die Frequenz der Versor­gungs­span­nung gekop­pelt, sondern sie wird durch die soge­nannte Kommu­tie­rungs­elek­tronik vorge­geben. Der Betrieb des EC-Motors erfor­dert deshalb immer eine zusätz­liche Elek­tronik. Diese bestimmt die Winkel­ge­schwin­dig­keit des Stator­dreh­feldes, mit dem sich der Rotor synchron mitdreht.

Die Zusam­men­hänge zwischen Span­nung und Dreh­zahl sowie Strom und Dreh­mo­ment sind weit­ge­hend linear. Dadurch verhält sich der Motor in seiner Dreh­mo­ment-Dreh­zahl­cha­rak­te­ristik wie ein Gleich­strom­ne­ben­schluss­motor. Zur Erfas­sung der Rotor­lage sind entweder Rotor­la­ge­sen­soren im Motor inte­griert oder die Kommu­tie­rungs­elek­tronik ermit­telt die Rotor­lage sensorlos über die Betriebs­größen Polrad­span­nung bzw. Motor­ströme. Die Leer­lauf­dreh­zahl ist von der ange­legten Span­nung und der Windungs­zahl der Stator­wick­lung abhängig. So lassen sich in den durch die physi­ka­li­schen Größen (z. B. Leis­tung, Dreh­mo­ment, Tempe­ratur… ) fest­ge­legten Grenzen nahezu belie­bige Betriebs­dreh­zahlen schlupf­frei (synchron mit dem Stator­dreh­feld) reali­sieren, die im Gegen­satz zum netz­ge­speisten Asyn­chron­motor auch ober­halb der Netz­fre­quenz liegen können.

Bild 2: EC-Motoren haben deut­lich höhere Wirkungs­grade als vergleich­bare Asyn­chron­mo­toren.

Wird beispiels­weise ein Lüfter mit einem EC-Motor betrieben, kann die Dreh­zahl immer bedarfs­ge­recht an die Anfor­de­rungen der lüftungs­tech­ni­schen Anlage oder des Prozesses ange­passt werden. Somit lässt sich im Teil­last­be­trieb der Ener­gie­ver­brauch deut­lich redu­zieren, weil sich die benö­tigte Leis­tung eines Lüfters in der 3.Potenz der Dreh­zahl ändert. Außerdem weisen die EC-Motoren sowohl im Teil­last­be­trieb als auch bei Voll­last einen deut­lich höheren Wirkungs­grad (Bild 2) auf als netz­ge­speiste AC-Motoren , und das bei meist klei­nerer Baugröße. Der Grund dafür ist, dass bei den EC-Motoren kein Magne­ti­sie­rungs­strom benö­tigt wird, die Strom­wär­me­ver­luste des Rotors wegfallen und die Möglich­keit besteht, eine spezi­elle Wick­lungs­an­ord­nung mit geringem Wickel­kopf­an­teil (Einzel­zahn­wick­lung / Zahn­spu­len­wick­lung) zu reali­sieren. Auch wenn die Seltene-Erden-Magnet-Diskus­sion diese Motoren belastet, sind sie einfach in Punkto Ener­gie­ef­fi­zienz die beste Wahl.

Dyna­mik­an­for­de­rungen bestimmen die Wahl der Magnete

Nicht zwangs­läufig ist man bei EC-Motoren auf die starken Seltene-Erden-Magnete ange­wiesen. Denn ihre hohe magne­ti­sche Güte ist eigent­lich nur bei hoch­dy­na­mi­schen Servo­an­trieben vonnöten, wie sie z. B. in der Robotik einge­setzt sind. Hier sind zum einen kompakte Abmes­sungen gefor­dert, zum anderen ist aber auch eine möglichst geringe Rotor­masse erfor­der­lich, um das Träg­heits­mo­ment zu mini­mieren. Diese Anfor­de­rungen sind nur mit hoch­re­ma­nenten und hoch­koer­zi­tiven Selten­enen-Erden-Magneten reali­sierbar. Hersteller solcher Servo­an­triebe konzen­trieren sich deshalb heute vor allem darauf, durch viel­schich­tige Opti­mie­rungen die benö­tigte Magnet­masse bzw. -höhe zu redu­zieren und haben hier schon recht beacht­liche Einspa­rungen erreicht. Der Motoren- und Venti­la­to­ren­spe­zia­list ebm-papst Mulfingen ist bei seinen mit ener­gie­ef­fi­zi­enten Green­Tech EC-Motoren ausge­stat­teten Venti­la­toren von dieser Proble­matik über­haupt nicht betroffen. Diese Antriebe kommen trotz ihrer hohen Wirkungs­grade ohne Seltene-Erden-Magnete aus. Den Schlüssel dazu liefert das Außen­läu­fer­prinzip.

Der Rotor liegt außen

Bild 3: Schnitt­mo­dell Radi­al­ven­ti­lator mit Außen­läu­fer­motor – der Rotor dreht sich nicht im, sondern um den Stator.

Hier befindet sich der ruhende Teil des Motors, der Stator, im Innern und ist vom bewegten Teil, dem Rotor oder Läufer, umschlossen (Bild 3). Der außen ange­ord­nete Rotor dreht sich um den innen­lie­genden Stator. Allein durch diese Anord­nung bedingt kann mit dem Außen­läufer ein höheres Dreh­mo­ment (Magnet­vo­lumen, Luft­spalt­fläche, Radius) erreicht werden als bei einem Innen­läufer mit glei­cher Paket­länge, mit glei­chem Magnet­system und glei­cher Magnet­dicke (redu­ziertes Magnet­vo­lumen, redu­zierte Luft­spalt­fläche, klei­nerer Radius).

Durch geschickte Nutzung der Frei­heits­grade im Venti­lator- und Lüfter­be­reich können mit dem Außen­läu­fer­motor bei Verwen­dung von Hart­fer­riten Dreh­mo­mente und Wirkungs­grade erzielt werden, die der Innen­läufer mit einge­schränkten Frei­heits­graden (Volumen, Masse) nur mit Seltenen-Erden-Magneten errei­chen kann. Im Gegen­satz zu Servo­an­trieben ist ja bei Venti­la­toren keine hohe Dynamik gefragt, sondern ganz im Gegen­teil, ein gewisses Träg­heits­mo­ment ist für ein ruhiges Anlauf- und Beschleu­ni­gungs­ver­halten der Venti­la­toren durchaus erwünscht.

Bild 4: Ener­gie­effi­zi­ente Venti­la­toren, deren Motoren ohne Seltene-Erden-Magnete auskommen.

So kann ohne Weiteres auf Seltene-Erden-Magnete verzichtet und Ferrite einge­setzt werden, die nicht nur deut­lich preis­werter, sondern aufgrund der Verfüg­bar­keit stabile Markt­preise besitzen. Der Motor­aufbau als Außen­läufer ist für Venti­la­toren auch in anderer Hinsicht vorteil­haft. So können die Axial­flügel oder Radi­al­räder am drehenden Rotor, also direkt am „Gehäuse“ des Motors befes­tigt werden (Bild 4).

Kompakte Abmes­sungen vor allem in axialer Rich­tung sind die Folge und die Kühlung verein­facht sich, da der Motor durch die vom Venti­lator geför­derte Luft gleich mit gekühlt wird. Die Ausfüh­rung in Sinus­kom­mu­tie­rung sorgt zudem für einen beson­ders geräusch­armen Betrieb. Die ener­gie­ef­fi­zi­enten Green­Tech EC-Venti­la­toren sind damit völlig unab­hängig von der Markt­ent­wick­lung der Seltene-Erden-Magnete.