Elektromotor 90) Elektromotor Glossar Blog – Wirkungsgrad (Verlustleistung + Umlaufverluste + Reibungsverluste)

Wie entsteht der Wirkungsgrad beim Elektromotor?

Erfahren Sie alles über Verlustleistung, Reibung,

cos phi und wie Sie Energiekosten senken.

Von der aufgenommenen elektrischen Leistung zur

mechanischen Wellenleistung gehen unvermeidbar

Prozente verloren.

Doch wo entstehen Wärme, Reibung und Blindleistung

genau? Erfahren Sie im Elektromotoren-Glossar,

woraus sich der Wirkungsgrad berechnet und

warum der cos phi für die Stromrechnung

entscheidend ist.

Der Wirkungsgrad (Formelzeichen Eta / η) gibt an, wie viel Prozent der
aufgenommenen elektrischen Leistung tatsächlich als mechanische Leistung an der
Motorwelle ankommen. Eingestuft wird diese Energieeffizienz in den genormten
Klassen IE1, IE2, IE3, IE4 und IE5 – ein Thema, das wir in unserem Glossar
bereits grundlegend behandelt haben.

Physikalisch betrachtet treibt die elektrische Spannung den Strom in den Stator
des Elektromotors hinein. An der Welle kommt das Ergebnis als mechanisches
Drehmoment heraus. Doch auf dem Weg vom Stromeingang (gemessen in
Scheinleistung bzw. Voltampere, VA) zur mechanischen Nutzleistung (in Kilowatt,
kW) treten unvermeidbare Verluste auf. Aber wo genau geht die Energie im Motor
verloren?

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Wärmeverluste: Ohmscher Widerstand und Eisenverluste
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Der größte Teil der Verlustleistung wird direkt in Wärme umgewandelt. Im Inneren
eines modernen Elektromotors herrscht während des Betriebs eine
Isolationsklasse mit Temperaturen von 130 °C bis 180 °C. Wer die Hand auf das
Gehäuse legt, spürt diese Abwärme deutlich.

Diese Erwärmung hat im Wesentlichen zwei physikalische Ursachen:

1. Ohmsche Verluste (Kupferverluste): Der elektrische Widerstand der
Wicklungsdrähte im Stator und Rotor wandelt einen Teil des Stroms direkt in
Wärme um.

2. Ummagnetisierungsverluste (Eisenverluste): Das ständige Umpolen des
Magnetfeldes im Blechpaket erzeugt Hysterese- und Wirbelstromverluste.

Um diese massive Hitze abzuführen, benötigt der Motor einen Eigenventilator
auf der Welle. Doch auch dessen Luftwiderstand verbraucht bereits mechanische
Energie – eine Verlustleistung, die der Kühlung geschuldet ist.

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Mechanische Reibung und Umlaufverluste
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Neben den elektrischen und magnetischen Verlusten entstehen rein mechanische
Reibungsverluste. Auch als Umlaufverluste bezeichnet, betreffen sie primär die
Kugellager der Welle. Hochwertige, präzise geschmierte Markenlager halten diese
Reibung gering, ganz ohne Verluste läuft jedoch kein rotierendes System.

Summiert man diese Verlustkette auf, ergibt sich die Effizienz des Motors: Bei
kleinen E-Motoren liegt der Wirkungsgrad oft nur bei rund 75 %, während große
Industriemotoren Spitzenwerte von bis zu 98 % erreichen.

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Der wirtschaftliche Wirkungsgrad: Blindleistung und cos phi
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Ein oft unterschätzter Faktor für die Betriebskosten ist die Blindleistung. Sie
fließt zwar nicht direkt in den mechanischen Wirkungsgrad ein, belastet aber
den "wirtschaftlichen" Wirkungsgrad enorm, da EVU und Industrieunternehmen den
Blindstrom verwalten und bezahlen müssen.

Die Größe dieser Verschiebung zwischen Strom und Spannung wird durch den
Leistungsfaktor (cos phi) ausgedrückt. Ein schlechter cos phi bedeutet mehr
ungenutzten Blindstrom im Netz. Übrigens: Bei Gleichstrommotoren (DC) gibt es
keine Phasenverschiebung – dort gilt stets cos phi = 1 und somit kein
Blindstrom!

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Fazit & Experten-Tipp
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Ein hoher Wirkungsgrad spart direkt Stromkosten und schont das Stromnetz. Bei
defekten Motoren sorgt eine fachgerechte Neuwicklung von AQ Pluss dafür, dass
der ursprüngliche IE-Wirkungsgrad erhalten bleibt.

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 Wirkungsgrad (Verlustleistung + Umlaufverluste + Reibungsverluste)

Wirkungsgrad (eta), er gibt an, wie viel Prozent an Leistung aufgenommen und als Leistung abgegeben wird, an die Motorwelle. Der Wirkungsgrad wird in der Effizienzklasse I1, I2, I3, I4, I5 erfasst, dazu gibt es schon einen Glossar-Beitrag. Dann auch nochmal kurz die Wiederholung (weitestgehend).

Die Spannung treibt den Strom in den E-Motor hinein, an der Welle kommt die Leistung mechanisch als Kraft (Drehmoment) heraus. Der Eingang, also KWC (falsch!), besser VA (Volt/Ampere). Was dann im E-Motor verlorengeht, macht die Differenz zu der Wellenleistung in KW (richtig) aus. Verloren geht vor allem Wärme, ein moderner E-Motor hat innen 130 – 155 – 180 Grad Celsius. Das bleibt nicht drinnen, wenn Sie die Hand auf den E-Motor legen, oh… heiß. Da haben wir schon das meiste an Verlustleistung, zuzüglich der Arbeit des Eigenventilators, der diese Wärme „wegpusten“ muss. Ummagnetisierungsverluste, Ohmsche Verluste (Kupferdraht) als Widerstand verursacht diese Wärme. Dann kommen noch diese mechanischen Verluste, z. B. der Kugellager, bei guten Kugellagern weniger, bei schlechten Kugellagern mehr, ganz ohne Verluste geht es nicht (Reibung). Umlaufverluste ist eine andere Bezeichnung dafür.

Also ergibt sich eine Kette von Verlusten, d. h., der Abfall, der nicht zur E-Motor-Ausgangsleistung beiträgt. Bei kleinen E-Motoren sind das Werte von 75 %, bis hin zu großen E-Motoren, die 98 % erreichen können, das sind, wie eingangs erwähnt, bei den IE-Werten.

Ein Wert kommt noch dazu, das ist der Verlust von Blindleistung, die sich zwar nicht auf den direkten Wirkungsgrad einbringt, allerdings in den „wirtschaftlichen“ Wirkungsgrad. Dieser nutzlose Blinde (Blindstrom) Leistung muss nämlich auch bezahlt werden, einen eigenen Elektromotoren-Glossar-Blog-Artikel haben wir dazu auch… hier nachlesen.

Bei Interesse, zweites Stichwort dazu, der cos phi. An dem „hängt“ die Blindleistung, macht die Größe aus, auch hier ohne geht nicht. Geht nicht, zumindest bei Wechselstromantrieben, bei Gleichstrom haben wir keine Verschiebung von Strom zur Spannung, also ist der cos phi = 1… kein Blindstrom!

Interner Vermerk Überschrift ( lfd Nr )  Wirkungsgrad (Verlustleistung + Umlaufverluste + Reibungsverluste)

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Wir hoffen das es bei der Problemlösung hilft und wir darüber 

hinaus ebenfalls helfen können.

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