Was ist ein EC-Motor?
Elektronisch kommutierte Motoren (EC-Motoren) sind für den Betrieb mit Wechselstrom (AC) ausgelegt, ähneln jedoch eher Gleichstrommotoren (DC). Es handelt sich im Wesentlichen um bürstenlose Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten und integrierter Bordelektronik.
Durch die zusätzliche Elektronik können EC-Motoren die besten Eigenschaften von AC- und DC-Motoren kombinieren und anschließend verbessern. Daher sind EC-Motoren eine Klasse für sich.
Durch den Einsatz dieser Technologie sind EC-Ventilatoren hocheffizient und amortisieren sich durch geringere Betriebskosten und eine längere Lebensdauer. Sie bieten auch einige betriebliche Vorteile, die oft übersehen werden.
Motordesign
Innenrotor und Außenrotor
Elektromotoren gibt es in vielen Formen und Größen, wobei die traditionelle Ausführung eine Innenrotorkonfiguration ist. Der Stator (stationärer Teil) eines Innenläufermotors ist am Motorgehäuse befestigt. Der Rotor (rotierender Teil) befindet sich im Stator und überträgt das Drehmoment über die Abtriebswelle. Ein Lüfterrad ist normalerweise an einer rotierenden Welle befestigt.
Außenrotormotoren haben grundsätzlich die entgegengesetzte Richtung, wobei sich der Rotor außerhalb des Stators dreht. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Abtriebswelle und die Gesamtfläche der Motor- und Laufradbaugruppe wird erheblich reduziert. Das Lüfterrad kann direkt am Außenrotor befestigt werden und bildet so quasi ein motorisiertes Laufrad.
AC vs. DC vs. EC
Alle Elektromotoren haben die gleiche Funktion, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, tun dies jedoch unterschiedlich. Die verwendete Methode hängt weitgehend von der dem Motor zugeführten Leistung ab, da diese Einfluss darauf hat, wie sein Magnetfeld erzeugt und gesteuert wird. Daher werden Motoren üblicherweise als AC-, DC- oder EC-Motoren klassifiziert. In der Ventilatorenindustrie werden üblicherweise AC-Induktionsmotoren, DC-Bürstenmotoren und EC-Permanentmagnetmotoren verwendet.
Wechselstrom-Induktionsmotoren verfügen über elektrische Wicklungen im Stator, die Wechselstrom liefern, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Das Statormagnetfeld induziert einen Strom im leitfähigen Käfigläufer, und die Wechselwirkung zwischen den beiden Feldern erzeugt ein Drehmoment am Rotor.
Da die Netzfrequenz fest ist, haben Wechselstrommotoren einen begrenzten Drehzahlbereich und sind daher für den Betrieb am Punkt der höchsten Effizienz auf der Leistungskurve ausgelegt.
Außerhalb dieses Bereichs nimmt die Effizienz tendenziell deutlich ab. Frequenzumrichter (VFDs) können verwendet werden, um die Frequenz des Wechselstroms zu erhöhen oder zu verringern, sie sind jedoch in der Regel sperrig und teuer. Aus diesem Grund eignen sich Wechselstrommotoren am besten für Anwendungen, die keine variable Drehzahl erfordern.
DC-Bürstenmotoren verwenden Permanentmagnete im Stator, um ein festes Magnetfeld bereitzustellen. Elektrische Wicklungen im Rotor induzieren Spannungen und werden vom Magnetfeld des Stators beeinflusst. Eine Änderung der Versorgungsspannung kann die Drehzahlregelung bei Gleichstrommotoren einfacher machen als bei Wechselstrommotoren.
Da sie mit Gleichstrom betrieben werden, sind sie auf Kohlebürsten und Kommutatorringe angewiesen, um die Stromrichtung umzuschalten. Der Verschleiß dieser mechanischen Teile führt zu lauteren Laufgeräuschen und einer kürzeren Lebenserwartung. Außerdem sind Gleichstromnetzteile nicht mehr so verbreitet wie früher, so dass der Kauf eines separaten Wechselstrom-Gleichstrom-Gleichrichters zusätzliche Kosten und Komplexität mit sich bringt.
EC-Motoren nutzen Permanentmagnete und elektrische Wicklungen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, ähnlich wie ein Gleichstrommotor mit Bürsten. Allerdings werden sie, wie der Name schon sagt, nicht mechanisch kommutiert, sondern elektronisch kommutiert. Dies ist nur durch die Integration der Bordelektronik in das Gehäuse des EC-Motors möglich.
Zur Bordelektronik gehört ein Gleichrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Ein integrierter Controller leitet dann zum richtigen Zeitpunkt die richtige Strommenge durch jede Wicklung in die richtige Richtung. Dadurch entstehen Magnetpole im Stator, die mit Permanentmagneten im Rotor interagieren. Die Position jedes Magneten wird mithilfe von Hall-Effekt-Sensoren bestimmt. Geeignete Magnete werden wiederum von den Polen des Stators angezogen. Gleichzeitig werden die übrigen Statorwicklungen mit umgekehrter Polarität aufgeladen. Diese anziehenden und abstoßenden Kräfte sorgen zusammen für eine Rotation und erzeugen ein optimales Drehmoment. Da dies alles elektronisch erfolgt, ist eine präzise Motorüberwachung und -steuerung möglich.
Vorteile von EC-Motoren
Energieeffizienz
EC-Motoren haben im Vergleich zu herkömmlichen Ventilatoren in der Regel einen Wirkungsgrad von mehr als 90 % und reduzieren den Energieverbrauch von EC-Ventilatoren um bis zu 70 %.
Durch die Anpassung der Drehzahl von EC-Motoren an den Bedarf wächst das Potenzial für Energieeinsparungen weiter. Unten sind typische Wirkungsgrade für einen AC-Induktionsmotor mit 5 PS und 1800 U/min und gleichwertige EC-Motoren aufgeführt.
Auch im Vergleich zum Ein/Aus-Betrieb ist die Drehzahlmodulation durch EC-Ventilatoren wesentlich effizienter. Wenn Sie beispielsweise einen EC-Ventilator in 80 % der Zeit betreiben, sparen Sie 20 % Energie, während der Betrieb mit 80 % Geschwindigkeit fast 50 % Energie spart.
Dies ist nur mit der EC-Technologie möglich, die über einen weiten Geschwindigkeitsbereich einen sehr hohen Wirkungsgrad bietet. Der offensichtlichste Vorteil einer hohen Effizienz ist der reduzierte Energieverbrauch. Angesichts steigender Energiepreise ist dies ein wichtiger Faktor, den es zu berücksichtigen gilt. Um einen Überblick über die Bedeutung zu geben, wird unten ein Beispiel für die Energieeinsparung bei 50 % Geschwindigkeit gegeben. In diesem Beispiel werden durchschnittliche Kosten von 0,115 $/kWh, ein Wirkungsgrad des Frequenzumrichters (VFD) von 86 % und ein kontinuierlicher Betrieb des Motors angenommen.
Auch wenn die jährlichen Einsparungen vernachlässigbar erscheinen mögen, ist es wichtig zu beachten, dass es sich hierbei um den Austausch eines einzelnen Lüfters handelt und andere Verluste wie Kabel oder Riemen nicht berücksichtigt sind. Neben geringeren Betriebskosten sind mögliche Versorgungsrabatte ein weiterer zu berücksichtigender Faktor. Eine hohe Effizienz bringt auch eine Reihe sekundärer und tertiärer Vorteile mit sich, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Einer der Vorteile einer hohen Effizienz ist der geringere Energieverlust an die Umwelt. Diese Verluste treten normalerweise in Form von Wärme und Schall auf. Da EC-Motoren weniger Wärme erzeugen, werden ihre Wicklungen und Lager weniger beansprucht, was die Lebensdauer des Motors verlängert. Die niedrigere Betriebstemperatur trägt auch zu einer höheren Systemeffizienz beim Einsatz in Kühlanwendungen bei. Gleichzeitig verbessert der leisere Betrieb den Komfort für die Bewohner.
Einfach zu kontrollieren
Der hohe Wirkungsgrad von EC-Motoren ist vor allem auf die integrierte Elektronik zurückzuführen. Durch die kontinuierliche Überwachung der Motorfunktion und die automatische Anpassung der Steuereingänge wird die Effizienz über den gesamten Betriebsgeschwindigkeitsbereich aufrechterhalten. EC-Motoren sind in der Regel in der Lage, auf 20 % der vollen Drehzahl herunterzuregeln und dabei immer noch einen Wirkungsgrad von 85 % beizubehalten.
Sensoren, die 0-10 V-, PWM- oder 4-20 mA-Signale erzeugen, können direkt an die meisten EC-Motoren angeschlossen werden. Dies ermöglicht eine Geschwindigkeitsregelung, ohne dass komplexe Frequenzumrichter (VFDs) erforderlich sind.
Je nach Anwendungsfall sind Steuerungs- und Regelungsverfahren umsetzbar. Ventilatoren mit EC-Motoren können Temperatur und Druck steuern oder einen beliebigen zu messenden Parameter auswählen. Die Regelung des konstanten Drucks ist besonders nützlich für Rohrleitungsanwendungen, während die Regelung des konstanten Luftstroms ideal für Filtrationsanwendungen ist. Alternativ kann ein Potentiometer angeschlossen werden, um eine manuelle Form der variablen Geschwindigkeitssteuerung zu ermöglichen.
Vielseitigkeit
Die maximale Drehzahl herkömmlicher Wechselstrom-Induktionsmotoren ist auf einen Standardwert namens Synchrondrehzahl begrenzt. Dies ist eine theoretische Geschwindigkeit, die auf der Anzahl der elektromagnetischen Pole und der Frequenz der Stromversorgung basiert.
EC-Motoren hingegen können die Nenndrehzahl überschreiten. Dadurch können Ventilatoren mit EC-Motoren höhere Leistungen in kleineren Ventilatorpaketen erreichen, wie unten gezeigt. Der erweiterte Betriebsbereich von EC-Ventilatoren erleichtert die Anpassung an die Leistung einer bestimmten Anwendung. Die hohe Kapazität eines EC-Motors in Kombination mit der Fähigkeit, den Wirkungsgrad auch bei Teillast aufrechtzuerhalten, ermöglicht es einem EC-Lüfter, herkömmliche Lüfter vieler Typen und Größen zu ersetzen.
Anwendung des EC-Motors für Klimaanlagen
Jedermann hat den Eindruck, dass Klimaanlagen immer viel Strom benötigen, da der Motor der Klimaanlage zum Betrieb viel Strom benötigt. Daher liegt die Modernisierungsrichtung von Klimaanlagen seit langem in der Erforschung von Klimaanlagenmotoren. „EC-Motor“ ist zu einer wichtigen Richtung für die Verbesserung der Produktstruktur von Klimaanlagenmotoren geworden. Wir haben nicht nur EC-Motoren für Klimaanlagen, sondern auch EC-Motoren für Luftkühler, EC-Motoren für Außenläuferventilatoren.
Die Hauptantriebsstruktur eines EC-Motors besteht aus einem Antrieb und einem Motor; Unsere bürstenlosen Gleichstrommotoren haben im Allgemeinen eine Leistung von 50W-4000W und eine Spannung von 220V/380V.
Vorteile bürstenloser Motoren in Anwendungen:
1. Es kann ein größerer Bereich an Flachgeschwindigkeiten erreicht werden. Bürstenlose Gleichstrommotoren sind einfacher zu steuern und verfügen über einen größeren Drehzahlbereich. Es handelt sich um ein echtes stufenloses Geschwindigkeitsregulierungssystem, mit dem die Kühlleistung des Kühlsystems frei eingestellt werden kann.
2. Bei der Drehzahlregelung ändert sich die Art der Last im Motorkreis nicht, es werden weniger Oberschwingungen erzeugt, das Stromnetz wird weniger belastet und es wird mehr Energie gespart.
3. Während des Betriebs ist der Temperaturanstieg relativ gering, was etwa 20 % niedriger ist als bei der Frequenzregelung von Wechselstrom-Asynchronmotoren.
4. Das Geschwindigkeitsregelsystem weist eine hohe Zuverlässigkeit und eine gute dynamische Leistung auf. Der EC-Motor weist eine hohe Zuverlässigkeit auf und verändert die Schaltungsleistung der Last während des Einstellvorgangs nicht, wodurch das System stabiler wird.
Anhand der Eigenschaften bürstenloser Motoren lässt sich erkennen, dass Energieeinsparung, Geräuschreduzierung, präzise Temperaturregelung und stufenlose Drehzahlregelung wichtige Leistungsverbesserungen für Kühlsysteme darstellen.
