Download het artikel in 
ENGINEERINGNET - Met de nieuwste ontwikkeling, de IE4-motoren, hebben traditionele motortechnologieën hun grenzen bereikt.
Fabrikanten van motoren zoeken nu al naar een nieuwe aanzet voor het volgende tijdperk van energie-efficiëntie.
Elektromotoren worden in tal van industriële toepassingen ingezet, zoals in pompen, compressoren, klimatiseringsinstallaties, kranen, liften en transportbanden.
Deze industriële motortoepassingen zijn verantwoordelijk voor ongeveer 70% van het totale energieverbruik in de industrie. Om tot vermindering van het energieverbruik te kunnen komen, stelde de IEC (Internationale Elektrotechnische Commissie) de normen IEC 60034-2-1:2007 en IEC 60034-30:2008 voor.
Deze normen omvatten meetmethodes om het rendement en de internationale rendementsklassen vast te stellen. De normen hebben betrekking op industriemotoren van 0,75 tot 375 kW.
Levenscycluskosten
De levenscycluskosten van een elektromotor voor industriële toepassing worden bepaald door drie hoofdfactoren: aanschaffingskosten, reparatie- en onderhoudskosten, en de totale kost van het energieverbruik over de totale levensduur van de motor.
De kosten van het energieverbruik van een motor gedurende zijn totale levensduur vormen tot wel 97% van de totale kosten. De meest effectieve manier om de totale kosten van een motor te verlagen, bestaat dan ook uit het verhogen van het rendement.
Met het oog op de verlaging van het Europese energieverbruik besloot de EU dat het rendement van alle standaard industriële laagspanningsmotoren met vermogens van 7,5 tot 375 kW, vanaf januari 2015 minstens moet voldoen aan klasse IE3. Dit vermogensbereik wordt in 2017 uitgebreid van 0,75 tot 375 kW.
Nieuwe motortechnologieën vereist
De volgende rendementsklasse is IE4. Om te voldoen aan de IE4-rendementen werken veel motorproducenten samen.
De motortechnologieën voor het bereiken van het IE4-rendement kunnen in vier hoofdgroepen worden verdeeld: permanentmagneet synchroonmotoren; synchroon-reluctantiemotoren; magneet- en reluctantie-hybride synchroonmotoren (door magnetische weerstand aangedreven magneetmotoren); asynchroonmotoren.
Permanentmagneet motoren
De rotor van de permanentmagneet motoren bevat magneten, terwijl de uitvoering van de stator overeenkomt met die van andere motoren. Permanentmagneet motoren danken hun naam aan de plaatsing van magneten in de rotoren.
De belangrijkste rotortypes zijn: rotor met oppervlaktemagneet of inwendige magneet en uitwendige rotor. Het vereiste motortype kan overeenkomend met de toepassing worden vastgesteld.
Zo wordt bijvoorbeeld in hogesnelheidstoepassingen de voorkeur gegeven aan motoren met een inwendige magneet, terwijl motoren met een oppervlaktemagneet de voorkeur krijgen in toepassingen waar een laag toerental en een hoge aandrijfkracht vereist zijn.
Synchroon-reluctantiemotoren
De rotors van synchroon-reluctantiemotoren zijn niet uitgerust met magneten. Omdat deze motoren geen magneten nodig hebben, dalen de motorkosten drastisch.
Voor het bereiken van een hoogeffectief reluctantie-draaimoment wordt de magnetische asymmetrie van de rotor door toepassing van speciaal ontworpen luchtzakken op de rotor vergroot.
Hybride synchroonmotoren
Het ontwerp van hybride synchroonmotoren omvat zowel reluctantie- als magneeteigenschappen. Deze motortypes worden ook synchroon-reluctantie-magneetmotoren genoemd.
Het ontwerp maakt de meest effectieve magneet-reluctantiemotoren mogelijk. Nadelen zijn lawaai en trillingen als gevolg van het reluctantie-draaimoment. Om deze nadelen te verkleinen, moet worden gelet op de draaimomentgolven en moeten deze teruggebracht worden.
Dankzij het reluctantie-draaimoment kan het vaste energiegebied van de motor worden uitgebreid en het toerental van de onder belasting lopende motor worden verhoogd. Deze motortypes worden vooral in elektrische voertuigen toegepast.
Asynchrone motoren
Het laatste motortype, de asynchrone motor, wordt in het algemeen met rotorstaven van koper in plaats van aluminium ontworpen om aan het rendement van de klasse IE4 te voldoen.
Verder is ook de toepassing van wrijvingsarme lagers en elektrostaal met geringe ompolingsverliezen naast een optimalisering van de koelventilator vereist. Op grond van de toepassing van een groter aantal ijzer- en kopermaterialen neemt de grootte van deze IE4 motoren toe.
Trendbepalende technologieën
De technologieën die tegenwoordig de trend voor IE4-motoren bepalen, zijn de permanentmagneet- of synchroon-reluctantiemotor-technologieën. Synchroon-reluctantie-magneetmotoren worden toegepast om het hoogste rendement in toepassingen met de hoogste snelheid te bereiken.
Deze vier technologieën worden in de onderstaande tabel vergeleken. De tabel laat zien dat de best geschikte oplossing afhankelijk is van de eisen van de toepassing waarvoor de motor wordt ingezet.
In het bijzonder wat de vermogensdichtheid en het rendement betreft, is het moeilijk de IE4-rendementsklasse met de asynchrone motortechnologie te bereiken, die de markt voor industriemotoren zo lang heeft gedomineerd.
Op grond van de compacte grootte en het hoge rendement betekenen de magneetmotoren een zeer belangrijk alternatief.
(foto's: Volt Electric Motors)
Kadertekst:
Onwikkelingsvoorbeeld van IE4 synchrone reluctantie- en permanentmagneetmotoren
Als één van de grootste motorproducenten besloot fabrikant Volt enkele jaren geleden met de ontwikkeling van de IE4-motoren te beginnen, waarbij het zwaartepunt op de permanentmagneet- en synchroon-reluctantiemotoren werd gelegd.
Het ontwikkelingsproces zelf werd uitbesteed aan een externe partij. Het bedrijf geeft trouwens zelf aan zijn inspiratie in de witgoedsector gevonden te hebben.
Terwijl de geschiedenis van deze beide motortypes bijna 100 jaar terug gaat, is de grootschalige toepassing in de industrie moeizaam. Oorzaken hiervoor zijn het gebrek aan goede magnetische materialen en de noodzakelijke variabele frequentieregeling (permanentmagneet-motor) alsook de problemen met directe start, de frequentieregeling en het matige gedrag van het draaimoment (synchroon-reluctantiemotoren).
De IE4 synchrone reluctantiemotor van Volt onderscheidt zich door een minstens 15 procent geringer verliesvermogen dan in het voorschrift EG 640 voor de rendementsklasse IE3 voor 2015 of 2017 is voorzien. In tegenstelling tot asynchrone motoren behalen synchroon-reluctantiemotoren steeds nog een goed rendement, als deze niet vol belast worden.
Dit is vaak het geval bij dagelijks bedrijf, als veel motoren in het kader van toerentalgeregelde toepassing gebruikt worden en hoofdzakelijk met gereduceerd toerental draaien.
De motoren maken zeer efficiënte installaties mogelijk, terwijl de lage bedrijfstemperaturen ervan een zeer hoge betrouwbaarheid en lage onderhoudskosten mogelijk maken. Het verliesvermogen van de IE4 permanentmagneetmotoren is zelfs nog lager dan dat van de synchroon-reluctantiemotoren.
Dit betekent, dat beide motoren tegenwoordig het toekomstige rendement IE4 volgens IEC/CD 60034-30 Uitgave 2 bereiken. Volt koos ervoor zijn permanentmagneetmotor uitsluitend met geïntegreerde frequentieomvormer aan te bieden.
De motor heeft een hogere vermogensgraad dan synchrone motoren van dezelfde grootte. Daarom is deze motor geschikt voor bijv. toepassing op transportbanden en in het kader van andere toepassingen waarin meerdere aandrijvingen synchroon moeten lopen.
