CAD kann dabei helfen, Effizienzstandards für Elektromotoren zu erfüllen

Brian Casey, CEO von ECM PCB Stator Technology | 09. Mai 2023

Mit Blick auf die Nachhaltigkeit führt der Dachverband schrittweise gesetzlich vorgeschriebene Mindestenergieleistungsstandards (MEPS) für Motoren ein. Das liegt vor allem daran, dass die acht Milliarden Elektromotoren, die derzeit in der Europäischen Union im Einsatz sind, laut EU-Daten fast 50 Prozent des gesamten Stroms verbrauchen, den die Region produziert.

Die Reduzierung dieser Energiesenke durch Regulierung ist ein offensichtliches Ziel europäischer Politiker, die ein umweltfreundlicheres Stromnetz anstreben. Die daraus resultierende Verordnung hat Unternehmen dazu veranlasst, nach Lösungen zu suchen, um Produkte an neue Leistungsregeln anzupassen. Wie bei vielen kommerziellen Herausforderungen liegt die Lösung für den schnellen Übergang zu Millionen hocheffizienter Elektromotoren im Design.

Bevor wir näher darauf eingehen, sind einige Hintergrundinformationen zum Regelwerk der EU erforderlich. Im Jahr 2019 verabschiedete das Europäische Parlament ein „Ökodesign“-Gesetz mit einem Rahmen für die schrittweise Einführung von Mindesteffizienzanforderungen für Elektromotoren auf der Grundlage der Klassen IE1 (Standardeffizienz) bis IE4 (Super-Premium-Effizienz) der Internationalen Elektrotechnischen Kommission. Diese neuen MEPS-Vorschriften haben einen breiten Anwendungsbereich – von Haushaltsgeräten bis hin zu Industrieklimaanlagen – und gelten für Motoren mit einem Leistungsbereich von 0,12 kW bis 1000 kW.

Im Juli 2023 wird die EU als erste Region der Welt die Effizienzklasse IE4 für einige Kategorien von Elektromotoren verpflichtend einführen. Insgesamt geht die Europäische Union davon aus, dass durch diesen Rahmen jährlich 40 Millionen Tonnen CO2-Emissionen eingespart werden. Darüber hinaus prognostiziert die EU, dass ihre Ökodesign-Vorschriften für Kraftfahrzeuge den europäischen Haushalten bis 2030 Energiekosten in Höhe von 22 Milliarden US-Dollar einsparen werden, indem sie zu jährlichen Energieeinsparungen von 110 TWh führen. Letzteres entspricht dem jährlichen Stromverbrauch der Niederlande.

Um das in einen Zusammenhang zu bringen: Durch den einfachen Einsatz effizienterer Motoren kann die EU so viel Energie einsparen, wie ihre siebtgrößte Volkswirtschaft derzeit jährlich verbraucht. Das sind alles gute Nachrichten für die Umwelt, die EU-Länder und ihre Bürger. Dennoch bleibt ein Rätsel. Wie stellen globale Elektronikhersteller Hunderte von Produktlinien mit Elektromotoren um, die den Ökodesign-Standards der EU entsprechen?

Ein Teil der Antwort liegt darin, zu akzeptieren, dass der Status quo – die Verwendung herkömmlicher, serienmäßiger Elektromotoren – für Hersteller, die in Europa verkaufen, nicht ausreicht. Herkömmliche Maschinen erreichen selten Wirkungsgrade über 75 Prozent und bieten kaum oder gar keine Designoptimierung. Diese Klassen von Elektromotoren sind sperrig und laut und erfordern für die Herstellung viele Rohstoffe. Darüber hinaus sind sie teuer und kompliziert in der Herstellung und Entsorgung.

Die anhaltende Abhängigkeit von dieser veralteten Technologie ist der Hauptgrund dafür, dass Elektromotorsysteme 50 Prozent der jährlichen Stromproduktion der EU verbrauchen und über 50 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs ausmachen. Kurz gesagt: Die EU – und andere Regionen, die höhere Standards für die Motoreneffizienz vorschreiben – können die Energieherausforderungen des 21. Jahrhunderts nicht mit 50 Jahre alter Motorentechnologie lösen.

Für kommerzielle Akteure erfordert die Einhaltung der Mindestenergieleistungsstandards (MEPS) der Europäischen Union die Fähigkeit, leistungsstärkere, maßgeschneiderte Elektromotoren zu entwickeln, die nachhaltig produziert werden können. Als Startup verfolgt ECM PCB Stator Technology bei der Erfüllung dieses Bedarfs zwei Dinge: fortschrittliche Motortechnologie und CAD.

Auf der technischen Seite hat ECM Leiterplatten- oder PCB-Stator-Elektromotoren entwickelt. Der PCB-Stator ersetzt die Kupferwicklungen herkömmlicher elektrischer Maschinen durch einen ultradünnen Stator. Elektromotoren mit Leiterplattenstatoren von ECM sind kleiner, 70 % leichter, erreichen Wirkungsgrade von bis zu 96 % und verbrauchen bis zu 80 % weniger Rohstoffe als herkömmliche Maschinen.

ECM verbindet diese PCB-Stator-Wissenschaft mit seiner PrintStator-CAD-Plattform. Dies ermöglicht es Innovatoren, präzise Leistungs- und Maßangaben einzugeben, um maßgeschneiderte Elektromotorlösungen zu entwickeln, die in die patentierte PCB-Stator-Technologie integriert sind. Wenn beispielsweise ein europäischer Waschmaschinenhersteller einen 1,62 PS starken Elektromotor benötigt, der einen Wirkungsgrad von 94 % erreicht und einem exakten Formfaktor entspricht, kann dieser über die Software entworfen werden.

Um diese Vorteile breiter zu skalieren, bietet ECM PrintStator als SaaS-Produkt an. Auf diese Weise können Innovatoren in der EU und anderen Regionen überall auf der Welt mithilfe bestehender Leiterplattenfertigungsanlagen kundenspezifische Statormotoren mit Leiterplatten drucken. Der Vorteil besteht darin, dass weniger Energie und Materialien benötigt werden, um effizientere Elektromotoren herzustellen.

ECM arbeitet mit mehreren globalen Fertigungsunternehmen zusammen, um von PrintStator entwickelte PCB-Statorlösungen in gewerbliche und industrielle Geräte zu integrieren, die den EU-Mindestenergiestandards für Motoren entsprechen.

Die Einführung von Leiterplattentechnologie und CAD über SaaS kann für Regulierungsbehörden der Europäischen Union und Hersteller im privaten Sektor ein wirksames Mittel zur Lösung einer gemeinsamen Herausforderung sein. Das heißt, den Kontinent mit effizienteren Elektromotoren aufzurüsten, die die Umweltverschmutzung reduzieren, ein nachhaltiges Stromnetz schaffen und europäischen Haushalten Energiekosten in Milliardenhöhe ersparen.

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