Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) haben sich zu einem Eckpfeiler moderner Antriebssysteme entwickelt und bieten im Vergleich zu Induktions- und bürstenbehafteten Gleichstrommotoren einen hohen Wirkungsgrad, kompakte Abmessungen und eine überlegene dynamische Leistung. Sie kommen häufig in Elektrofahrzeugen, der Robotik, der Automatisierungstechnik und in Anlagen für erneuerbare Energien zum Einsatz.

Allerdings sind nicht alle PMSMs gleich – ihre Rotorkonstruktion hat einen grundlegenden Einfluss auf die Leistungsmerkmale. Zwei Haupttypen von PMSMs – oberflächenmontierte und innenmontierte – unterscheiden sich in Aufbau und Funktion, was für die Auswahl des richtigen Motors entscheidend ist.

Grundlagen von PMSM

Ein PMSM funktioniert durch die Synchronisation der Magnetfelder von Stator und Rotor. Der Stator verfügt über eine dreiphasige Wicklung, die von einer Wechselstromversorgung gespeist wird und ein rotierendes Magnetfeld (RMF) erzeugt. Die Magnete des Rotors synchronisieren sich mit dem Statorfeld und drehen sich nahtlos mit derselben Geschwindigkeit.

Im Gegensatz zu Induktionsmotoren, die zur Erzeugung des Drehmoments auf Rotorstrom angewiesen sind, nutzen PMSMs Permanentmagnete zur Erzeugung des Magnetfelds, was zu einem höheren Wirkungsgrad und geringeren Verlusten führt. Der Verzicht auf Rotorwicklungen und Schleifringe erhöht die Zuverlässigkeit und senkt die Wärmeentwicklung.

Was ist ein oberflächenmontierter PMSM (SPMSM)?

Bei einem oberflächenmontierten Permanentmagnet-Synchronmotor sind die Permanentmagnete direkt auf der Rotoroberfläche angebracht, typischerweise in einer kreisförmigen Anordnung. Das von diesen Oberflächenmagneten erzeugte Magnetfeld wirkt direkt mit dem Statorfeld zusammen, um Drehmoment zu erzeugen.

Diese Bauweise bietet Einfachheit – sowohl in der Konstruktion als auch im magnetischen Verhalten –, da die Magnetfeldverteilung des Rotors nahezu sinusförmig ist. Der Luftspalt zwischen Rotor und Stator ist gleichmäßig, was zu einer gleichmäßigen Drehmomenterzeugung und einem geringen Rastmoment führt.

Zu den Vorteilen gehören:

• Einfacher mechanischer Aufbau und einfache Fertigung
• Hohe Drehmomentgenauigkeit und gleichmäßiger Betrieb
• Ideal für Servoanwendungen, die eine präzise Drehzahl- und Positionsregelung erfordern

Typische Anwendungsbereiche: CNC-Maschinen, Industrieroboter, Aktuatoren und kleine Elektrofahrzeuge, bei denen hohe Präzision und Kompaktheit entscheidend sind.

Was ist ein Innenläufer-PMSM (IPMSM)?

Ein Innenläufer-Permanentmagnet-Synchronmotor unterscheidet sich erheblich in der Rotorkonstruktion. Die Permanentmagnete sind in den Eisenkern des Rotors eingebettet und oft in V- oder U-förmigen Aussparungen angeordnet. Diese Konfiguration führt zu magnetischer Salienz – einem Unterschied zwischen den Induktivitäten der Direktachse (d-Achse) und der Quadraturachse (q-Achse) des Rotors.

Die magnetische Salienz ermöglicht es IPMSMs, nicht nur ein magnetisches Drehmoment (wie bei SPMSMs), sondern auch ein Reluktanzdrehmoment zu erzeugen, was zu einer höheren Gesamtdrehmomentdichte führt. Eingebettete Magnete widerstehen mechanischer Beanspruchung und Entmagnetisierung während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs.

Zu den Vorteilen gehören:

• Höhere Drehmomentdichte und Effizienz
• Breiter Drehzahlbereich dank Feldschwächungsfähigkeit
• Verbesserte mechanische Festigkeit und thermische Stabilität

Typische Anwendungen: Elektrofahrzeuge, Industrieantriebe, Kompressoren und Windkraftanlagen.

Wesentliche konstruktive Unterschiede

Der konstruktive Unterschied zwischen den beiden Typen bildet die Grundlage für ihre gegensätzlichen Eigenschaften.

Merkmal	Oberflächenmontierter PMSM (SPMSM)	Innenmontierter PMSM (IPMSM)
Magnetanordnung	Auf der Rotoroberfläche	Eingebettet im Rotoreisenkern
Drehmomenttyp	Nur magnetisches Drehmoment	Magnetisches + Reluktanzdrehmoment
Salienzverhältnis (Lq/Ld)	≈1 (kein Saliency)	>1 (hohe Salienz)
Feldschwächungsfähigkeit	Eingeschränkt	Ausgezeichnet
Mechanische Festigkeit	Mäßig	Hoch (Magnete gut geschützt)
Kühlleistung	Schlechter (freiliegende Magnete)	Besser (Eisen wirkt als Wärmeleiter)
Herstellungskomplexität	Einfach	Komplex (erfordert präzises Schlitzen)

Dieser strukturelle Unterschied bedeutet, dass IPMSMs höhere Drehzahlen und Belastungen bewältigen können, während SPMSMs sich durch Präzision und Einfachheit auszeichnen.

Vergleich der elektromagnetischen Leistung

Die elektromagnetische Leistung bestimmt, wie sich ein Motor unter verschiedenen Betriebsbedingungen verhält. SPMSMs weisen ein relativ lineares Drehmoment-Drehzahl-Verhältnis auf und bieten eine hervorragende Regelung bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen. Ihre Unfähigkeit zur Feldschwächung schränkt jedoch den Betrieb bei hohen Drehzahlen ein.

Im Gegensatz dazu zeigen IPMSMs aufgrund ihrer Salienz ein nichtlineares Verhalten. Das zusätzliche Reluktanzdrehmoment verbessert den Wirkungsgrad und die Drehmomentdichte, insbesondere in Feldschwächungsbereichen, was sie ideal für Traktionsantriebe macht.

Beispiel für Leistungsdaten (Simulationsergebnisse):

Parameter	SPMSM	IPMSM
Nennleistung (kW)	5	5
Nennmoment (Nm)	15	18
Spitzendrehmoment (Nm)	28	35
Grunddrehzahl (U/min)	1500	1500
Maximale Drehzahl (U/min)	2500	4500
Wirkungsgrad bei Grundlast	91 %	95

Durch die integrierte Magnetkonstruktion können IPMSMs ein höheres Drehmoment und einen größeren Drehzahlbereich bei geringerem Entmagnetisierungsrisiko liefern.

Überlegungen zu Steuerung und Antrieb

Die Regelungsstrategien unterscheiden sich aufgrund der Rotor-Salienz und der Drehmomentzusammensetzung. Sowohl SPMSMs als auch IPMSMs verwenden üblicherweise die feldorientierte Regelung (FOC), jedoch mit unterschiedlichen Schwerpunkten:

SPMSM-Regelung:

• Einfacher, da Ld = Lq, was zu einem rein magnetischen Drehmoment führt.
• Die Regelung umfasst die Aufrechterhaltung der Rotorflussausrichtung.
• Ideal für Anwendungen, die ein gleichmäßiges, vorhersagbares Drehmoment erfordern.

IPMSM-Regelung:

• Nutzt die MTPA-Regelung (Maximum Torque per Ampere), um das magnetische und das Reluktanzdrehmoment auszugleichen.
• Erfordert eine dynamische Anpassung des Stromvektors für optimale Effizienz.
• Ermöglicht einen effizienten Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit Feldschwächung für Elektrofahrzeuge.

Daher erfordern IPMSMs komplexere Algorithmen und Echtzeit-Rückkopplungssysteme, bieten jedoch eine überlegene Drehmomentausnutzung.

Wirkungsgrad und Leistungsdichte

Leistungsdichte und Wirkungsgrad bestimmen, wie viel Drehmoment oder Leistung pro Masseneinheit gewonnen werden kann. SPMSMs erreichen mit ihrem einfacheren Magnetkreis einen hohen Wirkungsgrad bei niedrigen und konstanten Drehzahlen, während IPMSMs über einen breiteren Drehzahlbereich einen höheren Wirkungsgrad aufrechterhalten.

Beispielvergleich:

Drehzahlbereich (U/min)	SPMSM-Wirkungsgrad	Wirkungsgrad des IPMSM
1000	94 %	95 %
2000	91 %	94 %
3000	85 %	92 %
4000	75 %	90 %

Der Unterschied wird bei hohen Drehzahlen deutlicher, wo der IPMSM von der Feldschwächung profitiert und eine Sättigung der Gegen-EMK vermeidet.

Kosten, Fertigung und Wartung

Die Wahl zwischen SPMSM und IPMSM hängt auch von den Herstellungskosten, der Wartungskomplexität und der Materialausnutzung ab.

SPMSM-Fertigung:

Die Rotorkonstruktion umfasst das Aufkleben oder Verkleben von Magneten auf der Oberfläche, was häufig Schutzhülsen (z. B. aus Kohlefaser oder Edelstahl) erfordert. Diese Konstruktion ist unkompliziert, schränkt jedoch die maximale Drehzahl aufgrund der Zentrifugalkräfte auf die Magnete ein.

IPMSM-Fertigung:

Der Rotor erfordert eine präzise Bearbeitung, um Magnetschlitze und Ausrichtungswinkel zu schaffen. Die Komplexität erhöht die Kosten, gewährleistet jedoch eine robuste Leistung und eine längere Lebensdauer.

Wartungsaspekte:

• IPMSMs sind weniger anfällig für Magnetsplitterbildung oder Delaminierung.
• SPMSMs lassen sich leichter zerlegen und bei Bedarf neu magnetisieren.

Auch die Materialkosten variieren. IPMSMs verbrauchen aufgrund des zusätzlichen Reluktanzmoments in der Regel weniger Magnetmaterial bei gleicher Drehmomentleistung, was zu einer besseren Ausnutzung teurer Seltenerdmagnete wie Neodym führt.

Eignung für bestimmte Anwendungen

Jeder Motortyp hat je nach Leistungsanforderungen unterschiedliche Vorteile.

Anwendung	Empfohlener Motortyp	Grund
Servosysteme	SPMSM	Einfache Steuerung, geringe Drehmomentwelligkeit, hohe Präzision
Elektrofahrzeuge	IPMSM	Hohe Drehmomentdichte, großer Drehzahlbereich, Feldschwächung
Robotik	SPMSM	Kompakte Bauweise, schnelles dynamisches Ansprechverhalten
Industrieantriebe	IPMSM	Effizient bei variablen Lasten
Haushaltsgeräte	SPMSM	Kostengünstig und leiser Betrieb
Windkraftanlagen/Generatoren	IPMSM	Robuste Bauweise, bessere Kühlung, Effizienz bei variablen Drehzahlen

Diese Unterschiede machen SPMSMs zur bevorzugten Wahl für Präzisionssysteme mit geringer Trägheit, während IPMSMs bei Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen und industriellen Antrieben dominieren.

Fallstudie: Vergleich von EV-Antriebsmotoren

Zur Veranschaulichung betrachten wir ein 100-kW-Elektroantriebssystem, das unter ähnlichen Spannungs- und Stromgrenzen sowohl mit SPMSM- als auch mit IPMSM-Konfigurationen getestet wurde.

Leistungskennzahl	SPMSM	IPMSM
Dauerdrehmoment (Nm)	220	270
Spitzendrehmoment (Nm)	380	440
Feldschwächungsgrad	1,3	2,8
Maximale Drehzahl (U/min)	6000	12000
Wirkungsgrad bei 75 % Last	92 %	96 %
Magnetkosten	100 %	85 % (aufgrund des geringeren Volumens)

Der IPMSM übertrifft den SPMSM deutlich in Bezug auf Drehmoment, Drehzahl und Energieeffizienz, was erklärt, warum große EV-Hersteller wie Tesla und Toyota IPMSMs in ihren Antriebssystemen einsetzen. SPMSMs bleiben jedoch für Hilfssysteme (z. B. Pumpen und Lüfter) relevant, die einen gleichmäßigen Betrieb mit geringem Drehmoment erfordern.

Zukünftige Trends und Innovationen

Jüngste Fortschritte in der PMSM-Technologie verringern den Abstand zwischen den beiden Bauformen. Ingenieure experimentieren mit hybriden PMSMs, bei denen Oberflächen- und Innenmagnetanordnungen kombiniert werden, um das Beste aus beiden Welten zu nutzen – hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl und effiziente Feldschwächung bei hoher Drehzahl.

Weitere Innovationen umfassen:

• Segmentierte Magnete zur Minimierung von Wirbelstromverlusten
• Hochtemperaturmagnete (SmCo- oder NdFeB-Legierungen mit Dysprosium) für Stabilität
• KI-gesteuerte Motorsteuerung zur Optimierung der Stromvektorausrichtung für das Drehmomentmanagement in Echtzeit
• Additive Fertigungstechniken, die die Komplexität der Rotormontage reduzieren

Angesichts der Entwicklung der Materialkosten und der Vorschriften zur Energieeffizienz könnten hybride PMSMs zum Standard für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation und Hochleistungs-Servoantriebe werden.

Sowohl oberflächenmontierte PMSMs (SPMSMs) als auch Innenläufer-PMSMs (IPMSMs) basieren auf dem gleichen Funktionsprinzip, unterscheiden sich jedoch aufgrund ihrer Rotorkonfigurationen erheblich in Leistung und Anwendungsbereich.

SPMSMs zeichnen sich durch Einfachheit, Präzision und eine gleichmäßige Drehmomentabgabe aus – was sie ideal für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen und hoher Genauigkeit wie Robotik und Automatisierung macht. Im Gegensatz dazu bieten IPMSMs eine überlegene Drehmomentdichte, mechanische Robustheit und einen breiten Drehzahlbereich – perfekt geeignet für Elektrofahrzeuge und Antriebe in der Schwerindustrie.

Bei der Wahl zwischen beiden müssen Ingenieure Prioritäten wie Drehmomentbedarf, Wirkungsgradbereich, Regelungskomplexität und Kosten abwägen. Mit der Weiterentwicklung von Konstruktionswerkzeugen, Magnetmaterialien und Regelalgorithmen werden sich beide Motortypen weiterentwickeln – und so Innovationen in den Bereichen Elektrifizierung und Automatisierung vorantreiben.