Energieeffizient nach Klasse IE5+: Kompakter Permanentmagnet-Synchronmotor erweitert Regelbereich und reduziert Total Cost of Ownership

LEWA ecodos LED3 mit PMSM (Quelle: LEWA GmbH) / LEWA ecodos LED3 with PMSM (Source: LEWA GmbH)

Die neu ins Portfolio aufgenommenen PMSM zeichnen sich unter anderem durch einen Regelbereich von 1:200 aus, so dass sich mit dem gleichen Antrieb bzw. der gleichen Pumpe ein größeres Anwendungsspektrum abdecken lässt. (Quelle: LEWA GmbH) / The PMSMs newly added to the portfolio feature a control range of 1:200, enabling a wider range of applications to be covered by the same drive or pump. (Source: LEWA GmbH)

Der PMSM weist zudem ein konstantes Drehmoment auf, d.h. das komplette Moment kann bei Drehzahl 0 U/min abgerufen werden. So wird ein besonders sanftes und produktschonendes Anfahren des Systems sichergestellt, da jeder Prozess mit einer Förderleistung von 1 Prozent statt der sonst üblichen 10 Prozent gestartet werden kann. (Beispiel: Dosierung Omega 3 Fettsäuren bei der Herstellung von Babynahrung) (Quelle: Adobe Stock) / The PMSM also has a constant torque, i.e. all of the torque can be called up at speed 0 rpm. This ensures particularly smooth and gentle system start-up, since each process can be started with a conveyance rate of 1 percent instead of the usual 10 percent. (Example: Metering omega 3 fatty acids in the production of baby food) (Source: Adobe Stock)

Das konstante Moment des PMSM ermöglicht im Gegensatz zu den dargestellten ASM einen Dauerbetrieb bei geringen Drehzahlen. Eine Überdimensionierung für das benötigte Startmoment der Pumpe ist aufgrund der hohen Überlastfähigkeit des PSMS überflüssig geworden. (Quelle: LEWA GmbH)

In contrast to the ASMs shown, the constant torque of the PMSM enables continuous operation at low speeds. Oversizing for the required pump starting torque has become unnecessary due to the high overload capability of the PMSM. (Source: LEWA GmbH)

Wie der Asynchronmotor lässt sich der PMSM über einen Standard-Frequenzumrichter (NORD, Danfoss, …) mit spezieller Parametrierung ansteuern, so dass der Anwender auf Gleichteile zurückgreifen kann. (Quelle: Getriebebau NORD GmbH & Co. KG) / Like the asynchronous motor, the PMSM can be controlled via a standard frequency converter (NORD, Danfoss, etc.) with special parameterization, so that users can rely on common parts. (Source: Getriebebau NORD GmbH & Co. KG)

Auch dezeAuch dezentrale Lösungen, in denen der Frequenzumrichter direkt am PMSM verbaut ist, sind mit den von LEWA gewählten PMSM bereits möglich. (Quelle: Getriebebau NORD GmbH & Co. KG) / Decentralized solutions in which the frequency converter is installed directly on the PMSM are also already possible with the PMSMs selected by LEWA. (Source: Getriebebau NORD GmbH & Co. KG)

Auch dezeAuch dezentrale Lösungen, in denen der Frequenzumrichter direkt am PMSM verbaut ist, sind mit den von LEWA gewählten PMSM bereits möglich. (Quelle: Getriebebau NORD GmbH & Co. KG) / Decentralized solutions in which the frequency converter is installed directly on the PMSM are also already possible with the PMSMs selected by LEWA. (Source: Getriebebau NORD GmbH & Co. KG)

Bereits im Jahr 2020 führte LEWA erste Funktionstests mit dem NORD PMSM Prototypen und einer Pumpe des Typs ecodos auf dem Pumpenprüfstand durch. Vor allem im unteren Drehzahlbereich konnte der PMSM seine Vorteile des konstanten Drehmoments erfolgreich unter Beweis stellen: Die ecodos konnte in einem Bereich von 1:480 bei bis zu 5 bar betrieben werden. (Quelle: LEWA GmbH) / As early as 2020, LEWA carried out initial functional testing with the NORD PMSM prototype and an ecodos pump on the pump test bench. In the lower speed range above all, the PMSM successfully demonstrated the advantages of constant torque: the ecodos test pump could be driven in a range of 1:480 up to 5 bar. (Source: LEWA GmbH)

In vielen Anwendungen, beispielsweise bei der Dosierung von Inhaltsstoffen in der Pharma- oder Lebensmittelindustrie, sind Pumpen erforderlich, die sich nicht nur hinsichtlich Fördermenge und -zeitraum präzise steuern lassen, sondern die Ingredienzien auch besonders schonend fördern. Damit die bewährten Pumpenaggregate der ecodos-Serie der LEWA GmbH diese anspruchsvolle Aufgabe zukünftig noch flexibler sowie energieeffizienter erfüllen können, erweitert der Hersteller sein Portfolio um eine neue Form der Weitbereichsdrehzahlregelung (WBR). Neben Asynchronmotoren und den Servomotoren kommen nun auch Permanentmagnet-Synchronmotoren, kurz PMSM, zum Einsatz. Sie zeichnen sich durch hohe Energieeffizienz und einen Regelbereich größer 1:200 aus. Dadurch wird das Anwendungsspektrum deutlich erweitert. Auf den Einsatz mehrerer Pumpen für unterschiedliche Fördermengen oder eine Überdimensionierung von Asynchronmotoren bei niedrigen Drehzahlen kann hier verzichtet werden. Da sich der PMSM lüfterlos konzipieren lässt, bleibt er kompakt und leicht zu reinigen. Letzteres prädestiniert ihn für hygienische Anwendungen. Der hohe Wirkungsgrad über den kompletten Regelbereich gemäß Energieeffizienzklasse IE5+ reduziert zudem die Energiekosten und sorgt damit für eine niedrigere Total Cost of Ownership (TCO).

Membran-Dosierpumpen der LEWA ecodos-Serie eignen sich besonders gut für Anwendungen in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie. Alle in den Pumpenaggregaten verbauten, fluidberührenden Werkstoffe entsprechen den Anforderungen nach FDA, USP-Klasse VI, und den EU-Richtlinien für die Lebensmittelindustrie. So wird der Pumpenkopf in der hygienic-Variante etwa aus PP oder elektropoliertem Edelstahl mit einer Oberflächenrauigkeit < 0,5 µm gefertigt. Das erleichtert die Reinigung der produktberührten Oberflächen.

Bei den bisher verwendeten Motorentechnologien müssen Abstriche in Kauf genommen werden: „Bei klassischen Asynchronmotoren, deren Rotor aus einem Kurzschlussläufer besteht, bleibt der Regelbereich auf 1:10 beschränkt (1:50 sind im Einzelfall möglich). Mit einer Drehgeberrückführung ist eine deutliche Erweiterung möglich“, so Maurice Wirkner, Application Manager bei LEWA. „Zudem ist der Antrieb außerhalb der Nenndrehzahl – besonders bei geringen Drehzahlen – relativ ineffizient. Das erfordert eine Überdimensionierung des Antriebs und erhöht somit die Betriebskosten.“ Servomotoren sind zwar für hochdynamische Anforderungen optimiert und decken den kompletten Regelbereich (1-210 Pumpenhübe) ebenfalls ab. Sie sind allerdings teurer in der Anschaffung und benötigen zudem einen Servo-Umrichter zur Steuerung.

WBR mit Permanentmagnet-Synchronmotor erweitert den Anwendungsbereich

LEWA hat das eigene Portfolio nun um eine Antriebstechnologie erweitert, die diese Schwächen nicht aufweist. „Im Gegensatz zum Asynchronmotor besteht der Rotor dieses Antriebes aus Permanentmagneten und dreht synchron, also ohne lastabhängigen Schlupf“, erläutert Wirkner. „Er zeichnet sich unter anderem durch seinen extremen Regelbereich aus, was den Einsatz von mehreren Pumpen für unterschiedliche Fördermengen oft überflüssig macht.“ Dabei kann besonders bei Mehrfachpumpen auf eine zusätzliche Handhubverstellung (HHV) oder elektrische Huberstellung (EHV) verzichtet und der benötigte Volumenstrom nur durch die Drehzahlregelung realisiert werden. Der PMSM weist zudem ein konstantes Drehmoment auf. Das komplette Moment kann also ab Motor-Drehzahl 0 U/min (Stillstand) bis zur Nenndrehzahl des Motors abgerufen werden. So wird ein besonders sanftes und produktschonendes Anfahren des Systems sichergestellt, da jeder Prozess mit einer Förderleistung von 1 Prozent statt der sonst üblichen 10 Prozent gestartet werden kann.

Auch eine hohe kurzzeitige Überlastfähigkeit ist gegeben, was für das Startmoment eine Antriebsauslegung ohne Überdimensionierung ermöglicht. Somit sind kleinere, kosteneffizientere Baugrößen realisierbar als bei den klassischen Antrieben. „Wie der Asynchronmotor lässt sich der PMSM über einen Standard-Frequenzumrichter ansteuern, so dass der Anwender auf Gleichteile zurückgreifen kann“, erklärt Wirkner. „Beim Servomotor wäre im Gegensatz dazu die Anschaffung von teuren Servoumrichtern notwendig.“ Zudem lässt sich der kompakte Antrieb aufgrund seiner lüfterlosen Ausführung gut reinigen und verfügt über einen hohen IP-Schutz. Bei Bedarf kann er zusätzlich einer Oberflächenbehandlung mit nsd tupH unterzogen werden. Das Verfahren macht die Oberfläche extrem widerstandsfähig und noch einfacher zu reinigen. Damit ist er optimal für Anwendungen mit hohen hygienischen Anforderungen geeignet, beispielsweise für die Aromadosierung in der Lebensmittelindustrie oder die Additivbeimengung im Pharmabereich.

IE5+-PMSM ermöglicht Kostenreduktion sowie dezentrale Lösungen

Einzige derzeitige Einschränkung der verwendeten PMSM ist die Verwendung in Nicht-Ex-Bereichen. „Durch die WBR mittels IE5+-PMSM können wir die zunehmenden Anforderungen der Kunden nach einem weiteren Stellbereich und geringeren Energie- sowie Gesamtkosten erfüllen“, resümiert Wirkner. „Besonders das Thema Energieeffizienz wird für unsere Kunden immer wichtiger. Auch eine dezentrale Lösung, in welcher der Frequenzumrichter direkt am PMSM verbaut ist, kann mittlerweile mit der Getriebebau NORD GmbH & Co. KG, dem LEWA Motorenpartner für PMSM, realisiert werden.“