Plug & Play-Radialventilatoren für die Raumlufttechnik
Der nächste Schritt zu mehr Effizienz
Bei Radialventilatoren für die Raumlufttechnik hat sich die Technik in den letzten Jahren kontinuierlich weiter entwickelt. Grund dafür sind die steigenden Ansprüche der Anwender vor allem an Steuerbarkeit und Energieeffizienz. Denn Verordnungen wie die EnEV (Energieeinsparverordnung) und die ErP-Richtlinie (Energy related Products-Directive), die in Deutschland auch unter der Bezeichnung Ökodesign-Richtlinie bekannt ist, haben hier die Sensibilität deutlich erhöht. Weiterentwickelte Plug & Play-EC-Radialventilatoren tragen jetzt diesen sowie zukünftigen Marktanforderungen Rechnung und gehen sogar noch darüber hinaus.
In der Praxis hat sich bereits vielfach bewiesen, dass die in der Ventilatorentechnik modernen EC-Antriebe gegenüber den in Raumluft- und Klimageräten noch häufig eingesetzten konventionellen AC-Antrieben in punkto Energieeffizienz deutlich überlegen sind. Allerdings darf man darüber nicht vergessen, dass man einen Ventilator immer als Gesamtsystem sehen muss, bestehend aus Laufrad, Motor, Gehäuse und Ansteuerelektronik. Alle Komponenten – vom elektrischen Anschluss bis zum Luftaustritt am Laufrad, ja sogar die Einbausituation im RLT-Gerät – müssen deshalb in die Optimierung miteinbezogen werden, wenn wirklich alle Energie-Einsparpotentiale ausgereizt werden sollen.
Kontinuierlicher Verbesserungsprozess
Der Motoren- und Ventilatoren-Spezialist ebm-papst Mulfingen stellt sich schon seit Langem diesem kontinuierlichen Verbesserungsprozess, der sich für die Umwelt und den Geldbeutel des Anwenders letztendlich gleichermaßen rechnet. So wurden die speziell für den Einsatz in Klima- und Raumluftgeräten konzipierten Radialventilatoren der „RadiPac“-Baureihe (Bild 1) in den letzten Jahren stetig verbessert. Dabei wurde vor allem auf die Energieeffizienz aber auch die Geräuschoptimierung und das „Handling“ besonderer Wert gelegt.
Zunächst galt das Augenmerk den eingesetzten Motoren. Bei den „GreenTech“-EC-Motoren in Außenläuferbauweise wurde vor kurzem bereits die Ansteuerungselektronik verbessert und der elektromagnetische Kreis optimiert, um die Wirkungsgrade zu erhöhen. Der energieoptimierte Motor, ein netzgespeister, permanenterregter Synchronmotor (auch BLDC oder PM genannt) liegt mit seinen Wirkungsgraden heute weit über den Werten, die wir aus der Effizienzklasse IE4 kennen. Dabei kommen die Motoren in Außenläuferbauweise mit „einfachen“, preisgünstigen und vor allem auch problemlos verfügbaren Ferriten aus. Sie sind also nicht auf die versorgungskritischen Seltene-Erden-Magnete angewiesen, und das bei Wirkungsgraden von weit über 90 % (vgl. Kastentext).
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. Kompakte Abmessungen vor allem in axialer Richtung sind die Folge. Die Kühlung vereinfacht sich, da der Motor durch die vom Ventilator geförderte Luft gleich mit gekühlt wird. Des Weiteren wird die komplette rotierende Einheit aus Rotor und Laufrad in zwei Ebenen dynamisch gewuchtet, was zu einem extrem ruhigen Lauf führt.
Optimierung der Strömungsmaschine
Die „GreenTech“-EC-Motoren lassen sich hinsichtlich ihres Wirkungsgrades nur noch marginal verbessern, liegen diese ja bereits bei über 90 %. Um aber einen hohen Gesamtwirkungsgrad bei Ventilatoren zu erreichen, gibt es noch andere Stellschrauben: Messungen haben gezeigt, dass es bei den bewährten „RadiPac“-Laufrädern, den Mitteldruck-Radialventilatoren in „GreenTech“-EC-Technologie, noch etwas „Luft nach oben“ gibt. Die Mulfinger Ventilatoren-Spezialisten haben sich deshalb in einem weiteren Schritt die Strömungsmaschine noch einmal vorgenommen. Hauptaugenmerk bei dieser Überarbeitung galt dabei dem Lufteintritt in das Laufrad, der Positionierung des Außenläufermotors im Laufrad und dem Schaufelprofil der Laufräder.
Die Einströmdüse beispielsweise wurde perfekt auf das Laufrad mit seinem aerodynamisch optimierten Schaufelkanal ausgelegt. Auch die Motorposition im Laufrad wurde überarbeitet, um einen guten Kompromiss zwischen Kompaktheit der kompletten Ventilatoreinheit und strömungstechnisch günstigster Platzierung des Motors im Laufrad zu erreichen. Bei den Laufrädern selbst sorgen die neuen Aluminium-Hohlprofil-Schaufeln für mehr Effizienz. Das Gewicht des Laufrades konnte durch die profilierte Form der Schaufel reduziert werden – und das bei gleichzeitiger Erhöhung der Stabilität. Druckverluste am Eintritt wurden weiter minimiert und auch das Abströmverhalten konnte verbessert werden. Bereits am Laufradaustritt wird die Luft in die Hauptströmrichtung des Klimageräts gelenkt, was die druckverlustbehafteten Umlenkverluste deutlich reduziert (Bild 2). Das Ergebnis der Optimierung kann sich sehen lassen, wie der in Bild 3 gezeigte Vergleich belegt. Insgesamt konnte bei den „RadiPac“-Ventilatoren durch die Überarbeitung der Strömungsmaschine die Effizienz um über 10 % gesteigert werden. Gleichzeitig hat sich auch das Geräuschverhalten verbessert. Die neuen Radialventilatoren arbeiten sehr leise.
Systemgedanke statt einzelner Komponenten
Die Radialventilatoren können aber auch noch in anderer Hinsicht überzeugen, denn die „RadiPac“-Baureihe für den Einsatz in raumlufttechnischen Geräten beinhaltet neben dem Präzisionslaufrad mit der Einströmdüse, dem „GreenTech“-EC-Motor und der Ansteuerelektronik zusätzlich mechanische Bauteile. So entsteht eine komplette Ventilatoreneinheit, die einbaufertig ausgeliefert wird. Im Gegensatz zu anderen Lösungen – beispielsweise mit Asynchron- oder PM-Motoren – muss der Anwender sich also nicht mit den einzelnen Komponenten Motor, Frequenzumrichter und Laufrad auseinandersetzen, die er alle beschaffen, einbauen, anschließen und aufeinander abstimmen muss.
Weil bei den „RadiPac“-Ventilatoren zudem der Motor und die im Motorsystem integrierte Elektronik bereits perfekt aufeinander abgestimmt sind, werden zusätzliche elektronische Filter und geschirmte Kabel überflüssig. Kostenintensive Abstimmungen bei der Inbetriebnahme sind also ebenso wenig notwendig wie Erdungs- und Schirmungsmaßnahmen. Mit der EC-Motor-typischen stufenlosen Drehzahlregelung lässt sich die Leistung der Ventilatoren außerdem exakt an die individuellen Bedürfnisse anpassen. Die Kommunikation ist dabei wahlweise über den 0‑10‑V-Eingang oder MODBUS-RTU möglich.
Nicht nur für die Raumlufttechnik
Die neuen „RadiPac“-Ventilatoren wurden erstmals auf der Messe ISH in Frankfurt gezeigt. Lieferbar werden die neuen Ventilatoren in den Baugrößen 250 bis 560 ab Herbst 2015 sein. Damit stehen für viele Anwendungen effiziente, kompakte und leise Plug & Play-Ventilatoren zur Verfügung, die sich nicht nur für raumluft- und klimatechnische Kastengeräte eignen, sondern auch für die Elektronikkühlung, z. B. bei Wechselrichtern in Windenergieanlagen.
Online-Plus:
Link zum Produktvideo, das auf der Fachmesse ISH zum neuen "RadiPac" entstanden ist.
Unabhängig von Seltene-Erden-Magnete
Bei EC-Motoren in Außenläuferbauweise befindet sich der ruhende Teil des Motors, also der Stator mit den Spulen, im Innern und ist vom bewegten Teil, dem Rotor oder Läufer mit den Permanentmagneten, umschlossen (Bild 4). Der außen angeordnete Rotor dreht sich um den innen liegenden 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 Seltene-Erden-Magneten erreichen kann. Im Gegensatz zu Servoantrieben ist ja bei Ventilatoren keine hohe Dynamik gefragt, sondern ganz im Gegenteil ein gewisses Trägheitsmoment für ein ruhiges Anlauf- und Beschleunigungsverhalten der Ventilatoren durchaus erwünscht. So kann bei den „GreenTech“-EC-Ventilatoren ohne Weiteres auf Seltene-Erden-Magnete verzichtet und Ferrite eingesetzt werden, die nicht nur deutlich preiswerter sind, sondern aufgrund der Verfügbarkeit stabile Marktpreise besitzen.
