Als het gaat om energiebesparing bij aandrijfsystemen, dan moet altijd rekening worden gehouden met de complete aandrijving, met inbegrip van elektromotor, reductor en aandrijfelektronica. Het besparingspotentieel ligt meestal tussen de 30 en 60 procent. In dit artikel kijken we specifiek naar elektrische motoren.

Op basis van officiële OESO-cijfers wordt aan de industrie met 51 procent het grootste aandeel toegeschreven van alle energiebesparingen die zijn gerealiseerd door betere energie-efficiëntie. De opwekking van proceswarmte en het gebruik van elektrische energie in aandrijvingen hebben hierin de grootste aandelen. Elektromotoren zijn de meest relevante productgroep in het kader van de Ecodesign-richtlijn, vooral ook met betrekking tot het industriële energieverbruik, omdat door elektromotoren aangedreven systemen ongeveer 70 procent van het industriële energieverbruik voor hun rekening nemen. Dit is ongeveer de helft van de totale elektrische energie die in de Europese Unie wordt gebruikt.

Volgens schattingen werd in 2015 ongeveer 1.400 terawattuur aan elektrische energie uit elektromotoren omgezet in mechanische energie en warmte. Daarom bestaan er bijna overal ter wereld voorschriften voor elektromotoren in continubedrijf, en in veel regio's zelfs systeemspecifieke voorschriften die ook betrekking hebben op machines als pompen, ventilatoren of persluchtcompressoren. De regulering van de energie-efficiëntie maakt een even groot verschil uit voor het behoud van natuurlijke hulpbronnen en voor economische efficiëntie. In de regel verdienen alle elektromotoren - zelfs als ze continu in dagdienst draaien en worden geleverd volgens de huidige regelgeving (bijvoorbeeld IE3) - hun meerkosten in korte tijd terug in vergelijking met de investeringen voor de eerder gebruikelijke IE1-motoren.  NORD DRIVESYSTEMS biedt op haar website een actueel overzicht van de wereldwijd geldende efficiency-voorschriften en normen voor motoren.

De eerste efficiëntiegedreven optimalisatiegolf

Fabrikanten van asynchroonmotoren moesten ter voorbereiding op 2011 de eerste duidelijke stap zetten naar verhoging van de efficiëntie, toen Richtlijn 640/2009, die geldig was tot 30 juni 2021, het gebruik van IE2-motoren voor continubedrijf verplicht stelde. Binnen een jaar verdubbelde hierdoor het aantal in gebruik zijnde IE2-motoren, terwijl het gebruik van IE1-motoren drastisch daalde. Voor het eerst werd een aanzienlijk aantal IE3-motoren verkocht, maar ook de verkoop daarvan nam pas toe met de verplichte invoering boven 7,5 kW in 2015 en voor alle vermogensklassen sinds 2017. Met de nieuwe EU-verordening 2019/1781, die sinds 1 juli 2021 de vorige verordening heeft vervangen, wordt in de toekomst een aanzienlijke daling van de verkoopcijfers voor IE2-motoren verwacht omdat gebruikers in de regio’s waar de komende IE3-regels niet hoeven te worden nageleefd, zullen kiezen voor de aanschaf van de voordeligere IE1-motor.

De verliezen van de IE3-motor zijn ongeveer 20 procent lager dan bij de IE2-motor. In de meeste gevallen gaat dit gepaard met een significante verandering, dat wil zeggen verhoging, van de hoeveelheid actief materiaal. Fabrikanten reageerden daarop verschillend: velen kozen voor een fundamentele verandering in diameter. Dit heeft een kwadratisch effect op de grootte van het rotoroppervlak, een belangrijke efficiëntiekarakteristiek. Op deze manier konden verlengingen of grote veranderingen in de plaatkwaliteit worden vermeden. Veel fabrikanten schuwden de investeringen die met deze stap gepaard gingen: ontwikkelingskosten, nieuwe aluminium behuizingen met lagere ribhoogtes en de neiging tot een meer rechthoekige buitencontour, meer ruimte voor het ijzerpakket, dezelfde montage-afmetingen bij grotere centreringen en nieuwe lagerschilden en ventilatoren of ventilatorkappen. Sommige fabrikanten gebruikten het volume tot op de laatste millimeter, bereikten met pakket- en wikkelingverdichting IE2 en overwogen vervolgens nieuwe maatregelen voor de stap naar IE3.

Met meer en hoogwaardiger actief materiaal naar efficiëntieklasse IE3

Met de eis om 20 procent van de IE2-motorverliezen te besparen, bereiken veel asynchroonmotoren hun fysieke en deels economische grenzen. Bij sommige motorformaten betekent dit dat fabrikanten aanzienlijk duurdere koperen rotors moeten gebruiken om een sprong in bouwgrootte te voorkomen. Voor de reductoraanbouw betekent de IE3-motor dat de flenzen zwaarder worden belast door het hogere gewicht van de motor. Vanaf medio 2021 verviel binnen de jurisdictie van de EU Ecodesign-richtlijn de wettelijke mogelijkheid om de IE3-motor te ‘omzeilen’ met IE2-motoren in combinatie met frequentieomvormers. Als gevolg hiervan is de verkoop van IE3-motoren aanzienlijk gestegen. Dit geldt ook voor 2-, 6- en 8-polige motoren, ook al zijn de aantallen hier aanzienlijk lager dan bij 4-polige versies. Voor de vermogens van 75 tot 200 kW is in de richtlijn reeds een koers uitgezet, wanneer de IE4-klasse ook voor de standaard asynchroonmotoren met hogere vermogens realiteit zal worden. Naarmate de afmetingen toenemen, nemen ook de efficiëntiewaarden toe. Daarom zijn de verschillen tussen IE3- en IE4-motoren fysiek eenvoudiger en haalbaar met minder aanpassingen.

Van permanentmagneetrotor tot tandspoelwikkeling

Verdere efficiëntiestappen voor kleinere motoren lukken meestal alleen met conceptwijzigingen. NORD DRIVESYSTEMS kiest bewust voor de weg met 4-polige IE4-synchroonmotoren die met een omvormer werken. Zij zijn uiterlijk niet te onderscheiden van asynchroonmotoren, passen in de behuizingssystemen en maken soortgelijke combinaties mogelijk met de standaard reductoren in directe montage of adaptermontage. Opgebouwde omvormers zijn ook mogelijk.

Pas een verdere stap in de richting van een nieuw systeem van een synchroonmotor met permanentmagneet, aangedreven door een frequentieomvormer met een rendement dat overeenkomt met IE5+, heeft verdere mogelijkheden opgeleverd om het vermogensverlies te verminderen: met de enkeltandige wikkeling werd de kortste wikkelkop die in de klassieke magnetische fluxgeleiding mogelijk is, een realiteit. Daar kwam nog een ijzerpakket van hoogwaardig, verliesarm materiaal bij volgens het motto: overal waar materiaal niet nodig is voor de stroomgeleiding, kan het worden weggelaten. Dit laat ruimte voor de koperen wikkeling met lage weerstand en compacte spoel.

De door het 8-polige ontwerp vereiste frequenties van 200 Hz bij max. 3.000 tpm zijn daarmee nog steeds beheersbaar. De geoptimaliseerde rotorcontour veroorzaakt weinig koppelrimpeling en een zeer geringe verstoring van het Cogging-koppel, zodat de motor zich goedmoedig gedraagt vanuit het oogpunt van regeling - zij het met lage inductantie en met een vrij snelle respons. Samen met de rotor met lage massatraagheid biedt hij de gebruiker de mogelijkheid van frequente uitschakeling (start-stop-bedrijf) om verliezen te beperken zonder grote energieverliezen in de bewogen massa's.

Nieuwe motortechnologie met een hoog integratieniveau

Met de nieuwe IE5+ motorgeneratie* zet NORD DRIVESYSTEMS een stap naar een nieuw productsysteem met een focus op maximale energie-efficiëntie gecombineerd met een compact ontwerp. De synchroonmotor in bouwgrootte 71 is geschikt voor het vermogensbereik van 0,35 tot 1,1 kW met een continu koppel van 1,6 tot 4,8 Nm en toerentallen van 0 tot 2.100 min-1, bouwgrootte 90 voor het vermogensbereik van 1,1 tot 2,2 kW met een continu koppel van 6,8 tot 10 Nm. De nieuwe IE5+-motor stelt de norm op het gebied van vermogensdichtheid, betrouwbaarheid en rentabiliteit en biedt aanzienlijke prestatievoordelen, die verder zijn geoptimaliseerd met de nieuwste ontwikkeling van de DuoDrive-motorreductor, de eerste IE5+-synchroonmotor die volledig met een eentraps tandwielreductor is geïntegreerd.

*gebaseerd op efficiëntieclassificatie volgens IEC60034-30-1 en IEC 60034-30-2