Entwicklungstendenzen in der Ventilatorentechnik

Der heute viel gebrauchte Begriff „Effizienz“ beschreibt das Verhältnis von erbrachter Leistung und dem dazu notwendigen Aufwand. Keineswegs geht es dabei nur um Energieeffizienz. In der Ventilatorentechnik liegt das Augenmerk zwar auf möglichst hohen Wirkungsgraden, auch um zukünftig den strenger werdenden Richtlinien zu genügen. Die energiesparende EC-Technik setzt sich daher zunehmend durch. Wichtig in der Ventilatorenentwicklung ist jedoch gleichzeitig die Materialeffizienz. Schlagworte in diesem Zusammenhang sind beispielsweise Biokunststoffe und Material sparende Konstruktionselemente, die mehrere Funktionen übernehmen und so die Anzahl von Komponenten und Fertigungsschritten reduzieren. Montagefreundliche Plug-and-play-Lösungen statt vieler Einzelteile dienen ebenfalls der Effizienzsteigerung. Im praktischen Einsatz vereinfachen sie dem Anwender den Umgang mit der Technik erheblich. In der Luft- und Klimatechnik ist die Effizienz der eingesetzten Ventilatoren zu einem zentralen Thema geworden. Nicht nur die mit der Energiesparverordnung geschaffenen gesetzlichen Grundlagen, sondern auch gesteigertes Umwelt- und Kostenbewusstsein seitens der Anwender tragen dazu bei. Vor diesem Hintergrund überrascht es nicht, dass energiesparende EC-Technik heute in allen Bereichen verstärkt Anwednung findet. Als Ventilatorantriebe bei luft- und klimatechnischen Anlagen sind heute aber noch häufig „Asynchronmotoren“ Stand der Technik und das aus folgenden Gründen: Die bewährten AC-Motoren sind kompakt und einfach aufgebaut, da sie direkt aus dem Wechsel- oder Drehstromnetz gespeist werden. Für die Versorgung des Läufers benötigen sie weder mechanische Kollektoren noch Elektronik, sind robust und arbeiten zuverlässig. Allerdings erreichen EC-Motoren im Vergleich zu AC-Motoren einen deutlich höheren Wirkungsgrad, was vor allem im Hinblick auf die Forderungen der Energiesparverordnung in naher Zukunft unabdingbar ist. Deshalb gilt es, dem Anwender den Umstieg auf die ECTechnik zu erleichtern. Dem tragen aktuelle Entwicklungen in der Ventilatorentechnik Rechnung.

Der Umstieg auf EC-Technik

Entwickelt wurde eine neue EC-Motorengeneration, die mit der integrierten Kommutierungs- und Ansteuerelektronik genau so kompakt gebaut ist, wie übliche AC-Motoren. Sowohl bei Axial- als auch bei Radialventilatoren lassen sich dadurch die ursprünglichen AC-Varianten einfach gegen die neuen EC-Ausführungen mechanisch tauschen. Ohne Designänderungen am Kundengerät können die mit bis zu 90 % ausgesprochen hohen Wirkungsgrade der EC-Motoren genutzt werden. Die Betriebskosten sinken und der niedrigere Energieverbrauch entlastet die Umwelt. Gleichzeitig haben die Antriebe einen leisen Lauf. Den Schlüssel dazu liefert eine besonders geräuscharme Kommutierung, die präzise an den EC-Motor angepasst ist. EC-Motoren sind vom Prinzip her permanentmagneterregte Synchronmotoren. Bei ihnen folgt der magnetische Rotor synchron einem Drehfeld, das elektronisch erzeugt wird. Dadurch lassen sich beliebige Betriebsdrehzahlen realisieren, unabhängig von der verwendeten Netzfrequenz. Die Entwicklung stellt jedoch eine große technische Herausforderung dar, um bei begrenztem Einbauraum die notwendige Elektronik in den EC-Motoren unterzubringen. Außer der Miniaturisierung und Optimierung der Elektronik war zudem eine mechanische Kompatibilität erforderlich. Dazu gehören z. B. die Anpassung der gesamten Motorbauform und die gleiche Ausgestaltung des Anbauflansches wie bei AC-Motoren.

Optimierungspotenzial bei Materialausnutzung und Fertigung

Bei der Konstruktion der neuen ECMotoren wurde gleichzeitig großer Wert auf Nachhaltigkeit und eine ressourcenschonende Fertigung gelegt. Dazu tragen gleich mehrere Details bei. So spart der einteilige Rotor mit eingepresster Welle Fertigungsschritte. Durch Multifunktionsteile werden weniger Einzelteile benötigt. Auch die gezielte Wärmeabfuhr und eine vergleichsweise geringe Länge der Blechpakete im Motor helfen, Material zu reduzieren. Der geringere Materialeinsatz spart zudem Energie bei der Herstellung. Die Elektronikabdichtung spielt dabei ebenfalls eine wichtige Rolle. Statt der früher üblichen Flanschlösungen mit diversen O-Ringen wurde das Elektronikgehäuse mit einer elastischen Dichtungskomponente versehen. Der Gehäuseflansch besteht aus zwei unterschiedlichen Kunststoffkomponenten. Die Hartkomponente (Aluminium) dient der Stabilität, der Aufnahme des Motors sowie der Entwärmung und sorgt für die Abdeckung bzw. den Schutz der integrierten Elektronik. Die weiche angespritzte Elastomerkomponente übernimmt die Abdichtung gemäß IP55. Der Steckanschluss ist bereits integriert. Dies spart ebenfalls Teile und garantiert gleichzeitig den dauerhaften Schutz der Elektronik. Der komplette Motor ist robust, unempfindlich gegen Schockbelastung und überzeugt durch Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer.

Kunststoffe und Verbundwerkstoffe

Auch bei den Ventilatorschaufeln gibt es im Hinblick auf die Effizienzsteigerung Optimierungspotenziale, die es auszuschöpfen gilt. Dies bezieht sich zum einen auf die Strömungstechnik, zum anderen aber auch auf die Materialauswahl. Die heute vor allem bei großen Axialventilatoren üblichen Schaufeln aus Stahl- oder Aluminiumblech bzw. Aluminiumdruckguss setzen den Konstrukteuren enge Grenzen. Die monolithischen Schaufeln mit einheitlicher Bleckdicke schränken die Gestaltungsmöglichkeit naturgemäß ein. Stahlbleche müssen zudem lackiert werden, um einen angemessenen Korrosionsschutz für die Outdoor-Anwendungen zu erhalten. Hinzu kommen steigende Rohstoffpreise, besonders bei Aluminium, die einen verantwortungsvollen und schonenden Umgang mit den Rohstoff- Ressourcen erfordern. Robuste Kunststoffmaterialien bei Ventilatorschaufeln bieten deshalb viele Vorteile: Während man Blechteile lediglich stanzen, biegen und prägen kann, lassen sich bei Kunststoffen ohne Probleme dreidimensionale Profile formen. Dabei können auch die von der Flugzeugtechnik bekannten Winglets berücksichtigt werden. Sie reduzieren unerwünschte Luftströmungen zwischen umlaufender Schaufel und Gehäuse. Dadurch verbessern sich der Wirkungsgrad und das Geräuschverhalten. Gleichzeitig trägt das gute Dämpfungsverhalten des Kunststoffs zur Geräuschund Gewichtsreduzierung bei. Je nach Anforderung bezüglich Festigkeit und Einsatzgebiet werden bei den Ventilatorschaufeln unterschiedliche Materialien eingesetzt. Ein typisches Beispiel dafür liefern die HyBlade-Schaufeln, die bei großen Axialventilatoren das Geräuschverhalten und den Wirkungsgrad verbessern. Hier nimmt ein Aluminiuminlet die mechanischen Kräfte im Betrieb auf und stellt eine dauerhafte Verbindung zum Rotor sicher, während der Kunststoff die tragende Struktur umschließt und dabei der Schaufel ihre strömungstechnisch optimale Form gibt.

Biowerkstoffe

Ein wichtiges Thema in der Ventilatorenentwicklung ist der Einsatz natürlicher Rohstoffe. Den ersten Bio-Ventilator, bei dem der Wandring aus dem Holz-Kunststoff- Verbundwerkstoff epylen besteht, gibt es bereits. Eigenschaften wie lange Haltbarkeit und Temperaturstabilität sind ebenso erfüllt wie die Einhaltung aller bisherigen technischen Spezifikationen. Korrosion ist bei der Materialkombination nicht zu befürchten und die Dämpfungseigenschaften sind ausgesprochen gut. Bei den Anwendern stößt die Idee auf positive Resonanz und in Zukunft werden in der Ventilatorentechnik sicherlich weitere nachhaltige Werkstoffe zum Einsatz kommen.

Systemlösungen

Sehr konkrete Effizienzsteigerung bringt ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt: komplette Systemlösungen, die sich als Plug-and-play-Geräte im Gegensatz zu vielen Einzelkomponenten praxisgerecht und einfach montieren lassen. Ein Beispiel dafür liefern EC-Motoren, die es als Komplettlösung mit applikationsspezifischen Lüfterrädern und Gehäusen gibt. Dem Anwender steht damit eine einbaufertige Ventilatorlösung zur Verfügung. Diese bietet außer den Montage- und Logistikvorteilen einen deutlich höheren Wirkungsgrad, da alle Einzelkomponenten optimal aufeinander abgestimmt sind.

Multifunktionalität

Ein Paradebeispiel für eine praxisgerechte Systemlösung sind sogenannte Filterlüfter. Sie eignen sich gut, um Wärmelasten wirtschaftlich aus Schaltschränken oder Elektronikgehäusen abzuführen. Der mechanische, patentrechtlich geschützte Aufbau der zu diesem Zweck entwickelten Diagonalventilatoren überzeugt: Ihr Gehäuse besteht aus zwei multifunktional ausgelegten Schalen. In der einen Gehäusehälfte sind Einlassdüse, Schutzgitter und Abstandshalter für die Filtermatte integriert. An der anderen Hälfte befinden sich das hintere Schutzgitter und die Motoraufnahme. Zwischen den beiden Teilen wird das Anschlussterminal mit integrierter Leitungsführung geklemmt. Ventilator und Filtergehäuse miteinander zu verbinden, ist dank Bajonettverschluss in vier verschiedenen Positionen möglich. Somit lässt sich ein unterschiedlicher Kabelabgang an je 90° versetzten Positionen realisierten. Hierfür ist kein zusätzliches Werkzeug erforderlich. Das gilt auch für die Änderung der Förderrichtung. Dazu muss der Anwender lediglich das Bajonett-Verschlusssystem des Diagonalventilators lösen, die Lüftereinheit um 180° drehen und wieder einrasten.

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