Wirkungsgradklassen nach IEC (IE1–IE4)

Etwa zwei Drittel des Stromverbrauchs in der Industrie gehen auf elektrische Antriebe. Das ist eine Größenordnung, die ein Detail von einer Stellschraube unterscheidet: Wer hier ein paar Prozentpunkte Wirkungsgrad gewinnt, drückt eine echte Zahl im Stromzähler. Und der Wirkungsgrad eines Motors ist keine theoretische Größe — was nicht in mechanische Leistung an der Welle geht, wird zu Wärme. Diese Wärme muss aus dem Gehäuse, oft auch aus dem Schaltschrank und manchmal aus der ganzen Halle.

Der Begriff Wirkungsgrad ist Voraussetzung für alles Weitere. Falls die Grundlagen unsicher sind: ein eigener Beitrag deckt das ab, hier setzen wir das Verständnis voraus.

Eine zweite Grundidee zieht sich durch den ganzen Beitrag: die Lebenszykluskosten. Damit ist die Summe aller Kosten eines Motors über seine Nutzungsdauer gemeint — Anschaffung, Energie, Wartung, am Ende Entsorgung oder Restwert. Bei einem Motor, der vier- oder fünftausend Stunden im Jahr läuft, sind die Energiekosten über eine typische Nutzungsdauer von zehn bis fünfzehn Jahren so dominant, dass die Anschaffungskosten dagegen fast verschwinden. Genau deshalb lohnt es sich, am Anfang einmal richtig hinzuschauen — bei einem Motor, der einmal gekauft und dann jahrelang läuft, entscheidet diese eine Auswahl über alle Folgejahre.

Damit die Diskussion um IE-Klassen Sinn ergibt, lohnt ein Blick darauf, woher die Verluste eigentlich kommen. Es sind im Wesentlichen einen Blick darauf, woher die Verluste eigentlich kommen. Es sind im Wesentlichen fünf Quellen, und jede davon kann ein Hersteller gezielt angreifen — mehr Kupfer hier, besseres Blech dort, kleinerer Lüfter, größere Lager.

Stromwärmeverluste im Stator (P_Cu1) entstehen in den Wicklungen aus Kupferdraht. Sie folgen der bekannten Beziehung I²·R: doppelter Strom bedeutet vierfache Verlustleistung. Größerer Drahtquerschnitt senkt den Widerstand, kostet aber Kupfer und Platz im Stator.

Stromwärmeverluste im Rotor (P_Cu2) treten im Käfigläufer auf, in dem durch das Drehfeld Ströme induziert werden. Auch hier gilt das I²·R-Prinzip. Hochleistungsmotoren verwenden statt Aluminium-Druckguss oft Kupfer im Rotor, weil Kupfer weniger Widerstand hat.

Eisenverluste (P_Fe) entstehen im Blechpaket von Stator und Rotor. Sie haben zwei Anteile: die Hystereseverluste durch das ständige Ummagnetisieren des Eisens und die Wirbelstromverluste durch induzierte Ringströme im Blech. Das Ummagnetisieren im Rhythmus der Netzfrequenz kann man sich vorstellen wie das ständige Kneten eines zähen Teigs — die innere Reibung im Material wird zu Wärme. Beide Anteile werden durch hochwertige, dünne, isolierte Elektrobleche reduziert. Hier liegt ein großer Hebel der modernen Effizienzklassen.

Reibungs- und Lüftungsverluste (P_R) kommen von Lagern und Lüfter. Bei drehzahlvariablen Antrieben kann ein eigenfremdgekühlter Motor (Lüfter mit separatem Antrieb) die Lüftungsverluste bei niedriger Drehzahl deutlich reduzieren.

Zusatzverluste (P_Z) sind alle Verluste, die nicht sauber den anderen Kategorien zugeordnet werden können — Streufelder, Oberwellen, Wirbelströme in Konstruktionsteilen. Sie werden pauschal mit etwa 0,5 bis 2 % der Eingangsleistung angesetzt.

Die Summe aller Verluste ergibt die Verlustleistung P_V:

Damit ergibt sich der Wirkungsgrad als Verhältnis von abgegebener mechanischer Leistung zur zugeführten elektrischen Leistung:

Was bedeutet das für den Hersteller eines IE3- oder IE4-Motors? Mehr aktives Material in der Maschine. Konkret heißt das größere Wicklungsquerschnitte, längere oder dickere Blechpakete, hochwertigere Elektrobleche, präzisere Lager und oft auch ein etwas vergrößertes Motorgehäuse. Ein IE3-Motor ist bei gleicher Leistung gegenüber einem IE1-Motor meist schwerer und teurer — der Stromverbrauch ist dafür dauerhaft kleiner.

Die internationale Norm IEC 60034-30-1 definiert vier Wirkungsgradklassen für Niederspannungs-Drehstrommotoren:

• IE1 — Standard Efficiency
• IE2 — High Efficiency
• IE3 — Premium Efficiency
• IE4 — Super Premium Efficiency

In einer ergänzenden Norm (IEC 60034-30-2) wird zusätzlich die Klasse IE5 für Synchron- und Reluktanzmaschinen beschrieben. IE5 ist in der Verordnungspraxis noch nicht etabliert, taucht aber zunehmend in Datenblättern auf.

Der Geltungsbereich der IEC 60034-30-1 is t klar abgesteckt: Niederspannungs-Drehstrommotoren mit Direktbetrieb am Netz (Asynchron- und neuerdings auch Synchronmaschinen), Leistungen von 0,12 kW bis 1000 kW, Polzahlen 2-, 4-, 6- und 8-polig, Spannungen bis 1000 V, Dauerbetrieb (S1). Außerhalb dieses Rahmens — etwa Servomotoren, Sondermotoren, integrierte Antriebe, Bremsmotoren — gilt die Norm nicht direkt.

Was sich hinter einer IE-Klasse konkret an Wirkungsgrad verbirgt, hängt von Polzahl und Nennleistung ab. Kleine Motoren haben grundsätzlich schlechtere Wirkungsgrade als große, weil der Anteil der ohmschen Verluste relativ größer ist. Ein 0,75-kW-Motor in IE3 liegt deutlich unter einem 75-kW-Motor in IE1.

Als grobe Orientierung — die exakten Werte sind in der Norm tabelliert — gelten für 4-polige 50-Hz-Asynchronmotoren etwa folgende Wirkungsgrade bei Nennlast:

Zwei Dinge fallen auf: Erstens sind die Sprünge zwischen den Klassen bei kleinen Motoren absolut größer als bei großen. Von IE1 nach IE4 bei 0,75 kW sind das gut 14 Prozentpunkte, bei 200 kW nur noch etwa 3 Prozentpunkte. Zweitens nähern sich die Wirkungsgrade großer Motoren der physikalisch erreichbaren Grenze an — eine Steigerung bei 200 kW kostet konstruktiv viel mehr Aufwand als bei 7,5 kW.

In Österreich gilt — wie in der gesamten EU — die Ökodesign-Verordnung (EU) 2019/1781 für Elektromotoren und Drehzahlregler. Sie ist seit 1. Juli 2021 in Kraft und ersetzt die ältere Verordnung 640/2009.

Die Verordnung schreibt für bestimmte Motoren Mindest-IE-Klassen vor. In ihrer aktuellen Ausprägung sind das zwei Stufen:

Das heißt konkret: Ein 4-poliger 11-kW-Standardmotor darf seit Juli 2021 nur noch in mindestens IE3 in Verkehr gebracht werden. Ein 110-kW-Motor muss seit Juli 2023 mindestens IE4 sein.

Die Verordnung greift beim Inverkehrbringen, also beim Verkauf neuer Motoren in den europäischen Markt. Bestandsmotoren dürfen weiterlaufen — bei einem Tausch nach Schaden gilt die jeweils aktuelle Mindestklasse für den Ersatzmotor.

Es gibt eine Reihe von Ausnahmen, weil bestimmte Motorbauarten technisch nicht ohne Weiteres die Mindestklassen erreichen oder ihre Hauptfunktion etwas anderes ist als reiner Antrieb:

• explosionsgeschützte Motoren der Kategorie 1 (Zone 0/20)
• Bremsmotoren mit integrierter Bremse
• vollständig in eine Maschine integrierte Motoren, die nicht eigenständig geprüft werden können (zum Beispiel in einem geschlossenen Pumpenaggregat)
• Motoren für Sonderumgebungen — sehr hohe oder tiefe Temperaturen, Tauchbetrieb, hochenergetische Strahlung
• Motoren für Schiffe und Schienenfahrzeuge

Wer einen Bestandsmotor 1:1 ersetzt, muss in der Regel die aktuelle Klasse einsetzen. Das hat in der Praxis Folgen — der Ersatzmotor kann etwas größer ausfallen, die Anlaufstromcharakteristik kann sich ändern und die Anschlussmaße müssen passen.

Auf jedem Motor, der unter die Ökodesign-Verordnung fällt, muss am Typenschild die IE-Klasse und der Nenn-Wirkungsgrad in Prozent stehen. Die vollständige Logik eines Motortypenschilds — Nennspannung, Schaltgruppe, Bauform, Schutzart und so weiter — ist ein eigenes Thema und in einem separaten Beitrag behandelt. Hier geht es nur um die Angaben, die den Wirkungsgrad betreffen.

Auf dem Schild findet sich typischerweise eine Zeile in der Form:

IE3 - 90,4 %

Das ist der Wirkungsgrad bei Nennlast und Nennspannung. Im Datenblatt — das viele Hersteller online verfügbar machen — stehen zusätzlich die Wirkungsgrade bei Teillast:

Warum sind die Teillastwerte wichtig? In der Praxis laufen viele Motoren überdimensioniert. Eine Pumpe mit 11 kW Antriebsleistung wird an einen 15-kW-Motor angeschlossen, weil der gerade verfügbar war oder weil eine Reserve eingeplant ist. Ergebnis: Der Motor arbeitet ständig bei etwa 70 % Last. An diesem Punkt liefert das Datenblatt den realistischeren Wirkungsgrad als die Nennlast-Angabe.

Ein zweiter Punkt: Bei sehr kleinen Lasten (unter 25 %) fällt der Wirkungsgrad fast aller Motoren stark ab. Wenn eine Anwendung viel Zeit im Leerlauf oder bei geringer Belastung verbringt, ist ein zu groß dimensionierter Motor unwirtschaftlich — unabhängig von der IE-Klasse.

Die zentrale Frage in der Praxis: Lohnt sich der Aufpreis für IE4 gegenüber IE3 — oder reicht der Mindeststandard? Drei Größen bestimmen die Antwort:

• die Nennleistung des Motors
• die jährliche Betriebsstundenzahl
• der Strompreis

Je größer eine dieser drei Größen, desto schneller rechnet sich der höhere Wirkungsgrad. Für die Berechnung der jährlichen Einsparung gilt:

Die Kostenersparnis folgt direkt aus der Energieeinsparung und dem Strompreis:

Und die Amortisationszeit — also nach welcher Zeit der Aufpreis durch die Einsparung wieder hereingeholt ist:

Wer auch den langfristigen Vorteil über die ganze Nutzungsdauer wissen will, vergleicht die Lebenszykluskosten beider Motoren. Vereinfacht — ohne Wartung und Restwert — ergibt sich der wirtschaftliche Vorteil über einen Betrachtungszeitraum als:

Ein positiver Wert von ΔLCC bedeutet, dass die höhere Klasse über den Betrachtungszeitraum unterm Strich günstiger ist.