Elektromotor Schritt für Schritt auswählen: Von zwei Zeilen Maschinendaten zur Bestellzeile

Ein Futtermittelwerk installiert einen neuen Horizontalmischer. Die Angaben des Maschinenkonstrukteurs umfassen zwei Zeilen: Die Mischwelle soll sich mit 45 Umdrehungen pro Minute drehen, und bei vollem Behälter wird an der Welle ein Drehmoment von etwa 1600 Nm benötigt. Der Instandhaltungsleiter hat weder Motorleistung noch Drehzahl noch Bauform. In diesem Beitrag verfolgen wir den Weg von diesen zwei Zeilen bis zur vollständigen Motorbeschreibung für die Bestellung und zeigen, wie jede Entscheidung die nächste beeinflusst.

Unser Beispiel ist ein Mischer, doch die Logik gilt ebenso für Förderer, Pumpe oder Ventilator: zuerst, was die Maschine verlangt, dann, mit welcher Drehzahl und Leistung der Motor dies liefert, danach elektrische und mechanische Passung und zuletzt Umgebung und Unterlagen.

Was die Maschine verlangt: Drehzahl, Drehmoment und Lastcharakter

Die erste Frage bei der Motorauswahl lautet nicht "Wie viele kW?", sondern "Welches Drehmoment verlangt die Maschine an der Welle bei welcher Drehzahl?". Die Leistung leitet sich aus diesen beiden Größen ab. Die allgemeine Formel lautet P (kW) ≈ M (Nm) × n (U/min) / 9550. Für den Mischer ergibt sich 1600 × 45 / 9550 ≈ 7,5 kW. Das ist die von der Mischwelle verlangte Leistung – nicht die Leistung, die der Motor abgeben muss.

Im selben Schritt sollte auch der Lastcharakter notiert werden. Ein Mischer ist eine Last mit konstantem Drehmoment: Auch wenn die Drehzahl sinkt, nimmt das verlangte Drehmoment kaum ab. Zudem muss er nach einem Stromausfall gegebenenfalls mit vollem Behälter wieder anlaufen. Diese beiden Angaben bestimmen später sowohl die Leistungsreserve als auch das Anlaufverfahren. Wie Sie die an der Welle benötigte Leistung für Pumpe, Ventilator und Förderer ermitteln, beschreiben wir mit Beispielen im Beitrag zur Berechnung der Motorleistung.

Die Brücke zwischen Motordrehzahl und Maschinendrehzahl

Kein Asynchronmotor dreht mit 45 Umdrehungen pro Minute; den Unterschied überbrückt ein Getriebe, ein Riementrieb oder eine Kombination aus beiden. Hier kommt die Wahl der Polzahl ins Spiel. Am 50-Hz-Netz dreht ein 4-poliger Motor mit einer synchronen Drehzahl von etwa 1500, ein 6-poliger mit etwa 1000 U/min; die tatsächliche Drehzahl unter Last liegt etwas darunter.

• Mit einem 4-poligen Motor und einer angenommenen Typenschilddrehzahl um 1460 U/min beträgt die erforderliche Übersetzung etwa 1460 / 45 ≈ 32,4.
• Mit einem 6-poligen Motor und einer Typenschilddrehzahl um 970 U/min sinkt die Übersetzung auf etwa 21,6.

Ein 6-poliger Motor ist bei gleicher Leistung größer und in der Regel teurer; der 4-polige Motor ist die verbreitetste Baureihe, und Ersatz ist leicht zu beschaffen. Die Entscheidung fällt meist auf der Getriebeseite: Die Polzahl wird an die Übersetzung angepasst, die in der gewählten Getriebefamilie Standard ist. Übersetzung, Abtriebsdrehmoment und Getriebetyp untersuchen wir gesondert im Leitfaden zur Getriebeauswahl. In diesem Beispiel fahren wir mit einem 4-poligen Motor und einem Stirnradgetriebe fort.

Die Leistungsstufe festlegen

Zu den 7,5 kW an der Mischwelle müssen die Getriebeverluste addiert werden. Bei Stirnradgetrieben ist der Wirkungsgrad meist hoch; nehmen wir zur Vereinfachung 95 % an, werden an der Motorwelle etwa 7,9 kW benötigt. Da die Standardleistungsstufen 7,5 und 11 kW sind, reicht ein Motor mit 7,5 kW schon auf dem Papier nicht aus.

Für 11 kW spricht noch ein weiterer Grund: der Anlauf mit vollem Behälter. Diese Last kann beim Anlauf ein Drehmoment über dem Nennmoment verlangen. Das Nennmoment eines 4-poligen Motors mit 11 kW beträgt etwa 9550 × 11 / 1460 ≈ 72 Nm. Ob das Anlaufmoment ausreicht, wird geprüft, indem man das Anlaufmomentverhältnis im Motorkatalog mit dem vom Maschinenhersteller angegebenen Anlaufbedarf vergleicht. Den Zusammenhang zwischen Anlaufmoment und Anlaufverfahren finden Sie im Beitrag zu Drehmomentklassen und Anlaufmoment.

Bei der Leistungsreserve ist auch das Gegenteil ein Fehler. Wer "sicherheitshalber" 15 kW wählt, lässt den Motor ständig in Teillast laufen; Wirkungsgrad und Leistungsfaktor sinken, Schaltschrank und Kabel werden unnötig groß.

Wirkungsgradklasse: nach Betriebsstunden

Der Mischer läuft im Zweischichtbetrieb etwa 4000 Stunden im Jahr. Für einen 4-poligen Motor mit 11 kW liegen die Wirkungsgradgrenzen nach IEC 60034-30-1 bei IE3 bei 91,4 %, bei IE4 bei 93,3 % und bei IE5 bei 94,6 %. Läuft der Motor mit etwa 8 kW Last, beträgt der Unterschied zwischen IE3 und IE4 bei dieser Laufzeit grob gerechnet 700–1000 kWh pro Jahr; das ist weniger deutlich als bei einem Ventilator im Dreischichtbetrieb. Die Entscheidung erfolgt zusammen mit dem Preisunterschied und den Energiezielen des Betriebs. Da die Drehstrombaureihen von HEM Motor im selben Baugrößensystem als IE3, IE4 und IE5 angeboten werden, ändert die Wahl der Wirkungsgradklasse die mechanischen Maße nicht.

Elektrische Passung: Spannung, Schaltung und Anlauf

Das Netz des Betriebs hat 400 V. Laut Katalog werden Motoren bis 3 kW am 400-V-Netz im Stern, Motoren ab 4 kW im Dreieck geschaltet; der Motor mit 11 kW arbeitet in diesem Fall im Dreieck. Hier ist ein Blick in den Schaltschrank nötig:

• Wird der Schaltschrank mit Stern-Dreieck-Anlauf ausgeführt, muss der Motor für Dreieckbetrieb an 400 V gewickelt sein, also das Typenschild 400/690 V tragen. Ein Motor mit Wicklung 230/400 V kann mit diesem Schaltschrank nicht korrekt anlaufen.
• Wird ein Sanftanlasser oder ein Frequenzumrichter eingesetzt, muss die Wicklungsspannung ebenfalls zum Netz passen, die Schaltung im Klemmenkasten bleibt jedoch fest.

Da die Last beim Anlauf schwer ist, ist der Stern-Dreieck-Anlauf hier sorgfältig zu prüfen: In der Sternstufe sinkt das Motordrehmoment auf etwa ein Drittel und reicht möglicherweise nicht aus, um den vollen Behälter zu drehen. In diesem Beispiel ist ein Verfahren mit einstellbarem Anlaufmoment (Sanftanlasser oder Umrichter) die sicherere Wahl. Zu den Anschlussdetails lesen Sie den Stern-Dreieck-Anschlussplan.

Mechanische Passung: Bauform, Baugröße und Welle

Wird der Motor direkt an das Getriebe angebaut, bestimmt das Getriebe die Bauform. Ein Motor, der am IEC-Antriebsflansch eines Stirnradgetriebes mit Füßen angebaut wird, ist meist in Flanschausführung B5; der Motor hat keine eigenen Füße, sein Gewicht trägt das Getriebe. Steht der Motor auf einem separaten Sockel und ist über eine Kupplung verbunden, wird die Fußausführung B3 gewählt. Werden Fuß und Flansch benötigt, kommt B35 in Betracht.

Nach IEC-Tabellen hat ein 4-poliger Motor mit 11 kW meist Baugröße 160; die Baugrößennummer gibt die Höhe der Wellenachse über der Aufstellfläche in Millimetern an. Wellendurchmesser, Passfeder und Flanschmaß am Motor müssen exakt zur Eingangsbohrung des Getriebes passen. Diese Passung wird geprüft, indem man die Maßzeichnungen von Getriebe und Motor nebeneinanderlegt; "Baugröße 160 B5" allein reicht nicht aus.

In diesem Schritt wird auch festgelegt, auf welcher Seite der Klemmenkasten sitzen soll. Steht der Mischer nahe an einer Wand, sollte die Kabeleinführung nicht zur Wand zeigen.

Umgebung: Staub, Temperatur und Reinigung

Im Futtermittelwerk gibt es Mehl- und Kleiestaub, der Mischer steht in einem geschlossenen Gebäude, und im Sommer steigt die Hallentemperatur auf 35 °C. Die Standard-Drehstrombaureihe ist für Schutzart IP55 und Umgebungstemperaturen von −15 °C bis +40 °C ausgelegt; diese Bedingungen liegen innerhalb der Standardgrenzen. Dennoch sollten zwei Punkte in der Bestellung vermerkt werden:

• Sammelt sich Staub zwischen den Kühlrippen und an der Lüfterhaube, verschlechtert sich die Kühlung. Der Reinigungsplan ist Teil der Motorauswahl.
• Überschreitet die Umgebungstemperatur 40 °C oder liegt der Betrieb höher als 1000 m, kann eine Leistungsreduzierung oder eine höhere Leistungsstufe nötig sein; diese Information muss vor der Bestellung vorliegen.

Ist im Betrieb wegen brennbaren Staubs eine explosionsgefährdete Zone ausgewiesen, darf dort kein Standardmotor eingesetzt werden. Ein Ex-Motor ist ein eigenes, zertifiziertes Produkt, und dieser Bedarf sollte gesondert mit dem technischen Team besprochen werden.

Die Motorbeschreibung für die Bestellung

Am Ende dieser Entscheidungen sieht die Bestellzeile etwa so aus: 11 kW, 4-polig (≈1500 U/min), IE3, 400/690 V (Dreieck an 400 V), 50 Hz, Flansch B5, Baugröße 160, IP55, Isolationsklasse F, S1, Klemmenkasten rechts; Maßzeichnung von Getriebeantriebsflansch und Wellenbohrung liegt bei. In der Beschreibung wird außerdem vermerkt, dass der Motor mit Sanftanlasser oder Umrichter betrieben wird und der Anlauf mit vollem Behälter erfolgen kann.

Welche Angaben bei der Angebotsanfrage unbedingt dazugehören, haben wir im Beitrag Angaben für die Angebotsanfrage zusammengestellt, häufige Beispiele unvollständiger Bestellungen aus der Praxis im Beitrag Worauf beim Motorkauf zu achten ist.

Fazit

Die Motorauswahl ist kein Formular, sondern eine Kette miteinander verbundener Entscheidungen: Drehmoment und Drehzahl der Maschine bestimmen die Getriebeübersetzung, die Übersetzung die Polzahl, die Anlaufbedingung Leistung und Anlaufverfahren, der Getriebeeingang die Bauform. Stimmen die beiden Angaben am Anfang der Kette, ergibt sich der Rest durch Rechnung. Für Getriebeanwendungen können Sie sich die Stirnradgetriebe der Baureihe M-HEM mit Füßen ansehen und die Beschreibung für Ihre eigene Anwendung mit unserem technischen Team gemeinsam festlegen.

Häufig gestellte Fragen

Wie wähle ich den Motor, wenn der Maschinenhersteller nur kW angibt?

Fragen Sie zusätzlich nach der an der Maschinenwelle benötigten Drehzahl; zusammen ergeben beide das Drehmoment. Ein nur nach kW gekaufter Motor ohne bekannte Drehzahl lässt die Maschine mit falscher Geschwindigkeit laufen, wenn die Übersetzung von Getriebe oder Riemenscheibe nicht passt.

Welche Stufe wähle ich, wenn die berechnete Leistung zwischen zwei Stufen liegt?

In der Regel wird die nächsthöhere Stufe gewählt, besonders bei schwerem Anlauf oder stoßartigen Lasten. Ein Motor weit über der berechneten Leistung senkt jedoch durch den Teillastbetrieb Wirkungsgrad und Leistungsfaktor.

Soll ich einen 4-poligen oder einen 6-poligen Motor wählen?

Dreht die Maschine langsam, sind beide Optionen mit Getriebe möglich. Der 4-polige Motor ist die verbreitetere, kleinere und leichter zu ersetzende Option; der 6-polige Motor senkt die Getriebeübersetzung. Die Entscheidung richtet sich meist nach den Standardübersetzungen des Getriebes.

Wer bestimmt die Bauform, wenn der Motor an ein Getriebe angebaut wird?

Die Eingangsart des Getriebes. Bei einem Eingang mit IEC-Flansch ist der Motor meist in Flanschausführung B5 oder B14; welcher Flansch und welches Wellenmaß nötig sind, ergibt sich aus der Maßzeichnung des Getriebes.

Werte für Ihre Auswahl: Drehmomenttabelle (Maschinenlast), Stromtabelle (Schaltschrank und Kabel), Tabelle Baugröße – Leistung (Montage). Wenn Sie Ihren Motor gefunden haben, können Sie den Preis sehen und bestellen.