Kupferdruckguss - Kienle + Spiess

Kupfer als Käfigläufermaterial für den 

höheren Wirkungsgrad eines Elektromotors 

Dr.-Ing. András Bárdos 

Ilmenau 

Research & Development 19-20/03/2009

Wirkungsgrad (%) 

Die neuen Wirkungsgradklassen 

wirken auch bei den „Kleinmotoren“ 

100 

95 

90 

85 

80 

75 

70 

1 10 100 

Motorleistung (kW) 

Bis 01.01.2017 müssen die 

Motoren mit 0,75 kW - 375 kW 

Leistung die IE 3 Klasse 

erreichen 

ZVEI 

4-polig 

IE 1 

IFF 2 

IE 2 

IFF 1 

IE 3 


16.06.2011: 0,75 kW - 375 kW => IE2 

01.01.2015: 7,50 kW - 375 kW => IE3 

90 

Norm: IEC 60034-30 

IE 1 

IFF 2 

IE 2 

IFF 1 

IE 3 

4 Polig 

70 

0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 

A. Bárdos - 2 - Motorleistung (kW) 

Ilmenau 

Research & Development © 2009 Kienle + Spiess 19-20/03/2009 

85 

80 

75

Inhalt 

die Kupferrotoren als eine Lösung 

Motorverluste 

Kupfer oder längere Eisenlänge 

Herausforderungen beim Kupfergießen 

Aluminium- vs. Kupfermotoren 

Potentiale 

A. Bárdos - 3 - Ilmenau 

Research & Development © 2009 Kienle + Spiess 19-20/03/2009

Inhalt 

Motorverluste 




Potentiale 



Aufgenommene 

Leistung 

Die vier wichtigen Gründe der 

Motorverluste 

P = 

1 

3U1I 1 

cosϕ 

P t = 

1 

3I R 

2 

1 

1 

P = Mω 

= 

1 

3I´ 

P 

v 

2 

2 

= 

U 

3 

R 

R´ 

s 

2 

1 

v 

2 

0 

P m 

2 ( 1− 

s) 

3I´ 

2⋅R´ 

2⋅ 

= 

s 

P ( 1− 

s) 

1 

Pt 2 

= Mω 

= 

= 

s ⋅ P = 

1 

3I´ R´ 

http://users.telenet.be/b0y/content/gen_techin/Induction.Motor.cutaway.jpg 

2 

2 

2 

Ps 

I 1 1 R s1 X 

U 1 

P 2 = Ph 

Abgegebene 

Leistung 

R v m X 

Kupferverluste Stator 

Eisenverluste 

I 2 R-Verluste Rotor 



X´ s2 

I g=I 

1-I 2´ 

R´ 2 

I 2´ 

Spezifischer Widerstand 

(nΩ m) (bei 20°C) 

Reibungsverluste 

R´ = t 

R´ 2 

1-s 

s 

R´ 2 

s = 

R´ 2+R´ 

t 

Al Cu 

26,5 16,78 

I´ 2

Kupfermotoren haben kleinere 

Verluste als Aluminiummotoren 

Vergleich der Verluste bei 50 Hz 

Verluste (W) 

1000 

900 

800 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

Reibungsverluste 

Kupferverluste Rotor 

Wirbelstromverluste 

Eisenverluste 

Kupferverluste Stator 

50 Hz 

Cu 1,1 kW Al 1,1 kW Cu 5,5 kW Al 5,5 kW 

Der Betrieb der 

Kupfermotoren ist 

günstiger als der 

Aluminiummotoren. 

C. Stark, J. G. Cowie, D. T. Peters, and E. F. Brush, Jr., Copper in the Rotor for Lighter, Longer Lasting Motors, ASNE 

San Diego Section Fleet Maintenance Symposium 2005 30 August – 1 September 2005 



Inhalt 

Motorverluste 




Potentiale 



Δε 


Es ist schwierig / teuer mit längerer L Fe 

höheren Wirkungsgrad zu erreichen 

92 

91 

90 

89 

88 

87 

86 

85 

84 

Kalkulierter Vergleich zwischen den Alu- und Kupfermotoren 

Wirkungsgrad eines 5 HP-Motors, 4-polig (Reibungsverlust 35 W) 

Kupfer 

Aluminium 

Premium efficiency, IE 3 

High efficiency, IE 2 

83 

80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 

Eisenlänge (mm) 

Standard efficiency, IE 1 

ΔL Fe 

Ein großer Vorteil des 

Kupferrotors ist, dass 

man ihn benutzen kann, 

ohne das Motorgehäuse 

zu ändern und trotzdem 

den höheren 

Wirkungsgrad erreicht. 



Inhalt 

Motorverluste 




Potentiale 



Kupfer kostet das 9-Fache von 

Aluminium 

V Al 

Eigenschaften Aluminium Kupfer 

Unterschied 

Al –Cu (%) 

Dichte (kg/m 3 ) (auf 20 °C) 2,7 8,96 +332 

Preis (€/Tonne) 

(www.lme.co.uk) 

Geschmolzenes Volumen (m 3 ) 1 1 

1 350 3 700 +274 

Schmelzpunkt (°C) 660 1084 +164 

Summe Wärme (10 6 kJ) 3,19 6,33 +204 

= V m 

Cu 

Al

Die Abnützung der Form ist beim 

Kupfergießen extrem schnell 

Die große Hitze beschädigt die Form nach 100 Schüsse 

Beim Aluminium ist die Lebensdauer einer solchen Form ca. 50.000 

Schüsse. 

Höhere Formkosten beim Kupfergießen 

als beim Aluminiumgießen 



Das flüssige Kupfer konnte den 

Elektrostahl nicht glühen 

Nut vor dem Gießen 

Elektroblech 

40 μm 

Nut 

Zwischen dem Blech und dem Kupfer 

in der Nut gibt es ca. 40 μm Luftspalt 

Nut nach dem Gießen mit Kupfer 

Elektroblech 

40 μm 

Kupfer 



Porosität stellt größere Herausforderungen an 

das Auswuchten als an die elektrische Leistung 

Literatur: ca. 3 % 

~ 131 mm 

E. F. Brush Jr, S. P. Midson, W. G. Walkington, D. T. Peters, 

J. G. Cowie, “Porosity Control in Copper Rotor Die 

Castings”, NADCA Indianapolis Convention Center, 

Indianapolis, IN September 15-18, 2003, T03-046 

Kienle + Spiess: < 1 % 

Hier findet man kaum Lunker 



Bei K+S ist die Porosität des Kupferrotors fast 

gleich wie beim Aluminiumrotor 

Kurzschlussring 

Rotor 

Porosität Porosität (%) 

1,2 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0,0 

Kupfer 

Aluminium 

IEC 112/4; L Fe =140 mm 

0 2 4 6 8 10 

Abgeschnittenes Material (mm) 



Bei K+S ist die Porosität des Kupferrotors fast 

gleich wie beim Aluminiumrotor 

Porosität Porosität (%) 

1,2 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0,0 

Kupfer 

Aluminium 

(x c, y 0+A) 

IEC 112/4; L Fe =140 mm 

0 2 4 6 8 10 

Abgeschnittenes Material (mm) 



w 

A/2 

A

Inhalt 

Motorverluste 




Potentiale 



Motorcharakteristik-Kurven: 

Aluminium- und Kupferrotor 

M (Nm), I (A) 

10 

M 

8 

Cu 

M Al 

Cu 

Im Al 

Im 6 

4 

2 

0 

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 

0 

3200 

n (U/min) 



4500 

3600 

2700 

1800 

900 

P zu (W), P ab (W) 

Cu 

Pzu Al 

Pzu Cu 

Pab Al 

Pab

Motorcharakteristik-Kurven: 

Aluminium- und Kupferrotor 

ε (%) 

Die Messungen 

wurden von 

Dr. Braun Institute 

durchgeführt 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

ε (%) 

85 

80 

75 

70 

Wirkungsgrad 

65 

2800 2850 2900 2950 3000 

n (U/min) 

50 Hz 

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 

n (U/min) 

Leistung: 550 W 

Typ: IEC 71/2; 

L Fe=65 mm 

M800-50A 



ε Cu 

ε Al

Niedrigere Betriebsunkosten bei IE 3- 

Motoren 

€ 

24000 

20000 

16000 

12000 

8000 

4000 

0 

11kW; 3000h/a; 10a; 0,066 EUR / kWh; Vollastbetrieb 

Kaufpreis 

Stromkosten 

Standard Verbessert Hochwirkungsgrad 

IE1 IE2 IE3 

http://www.offenbach.ihk.de/innovation-umwelt/pdf/20071105_Steins.pdf 



€ 

26000 

25500 

25000 

24500 

24000 

23500 

23000 

22500 

22000 

IE1 IE2 IE3 

IE 3 Motoren: 

Höherer Kaufpreis 

Niedrigere Betriebsunkosten 

absehbare „pay back“ Zeit 

Umweltfreundlich

Inhalt 

Motorverluste 




Potentiale 



6 % des Energiesparpotenzials im 

Sektor 0,75 kW-Motoren 

Potential (%) 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

IEC 60034-30:200X 

Möglichkeiten des Energiesparpotenzials bei Motoren im 

Industriesektor (Kapazität durch durchschnittliche 

Effizienzverbesserung vervielfacht) 

< 0,75 0,75 < 4 4 < 10 10 < 30 30 < 70 70 < 130 130 < 

Motorleistung (kW) 

500 

> 500 



Zusammenfassung: Vorteile der 

Kupfer-Rotoren 

umweltfreundlich 

geringeres Motorgewicht 

erhöhter Motorwirkungsgrad 

niedrigere Lauftemperatur 

leicht erhöhte Rotationsgeschwindigkeit

Kupferdruckguss - Kienle + Spiess

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