Synchronmotoren werden im Bereich der Elektromotoren häufig für Anwendungen eingesetzt, die eine exakte Drehzahlregelung erfordern. Die Frequenz der Stromquelle und die Polzahl des Motors bestimmen die Synchrondrehzahl bzw. die konstante Drehzahl, mit der diese Motoren laufen.

Dieser Artikel bietet einen detaillierten Vergleich dieser beiden Motortypen und beleuchtet ihre Unterschiede, Vor- und Nachteile sowie typische Anwendungen.

Übersicht über Synchronmotoren

Elektromotoren, deren Drehzahl exakt proportional zur Netzfrequenz ist, werden als Synchronmotoren bezeichnet. Im Gegensatz zu Induktionsmotoren, die Schlupf benötigen, weisen Synchronmotoren keinen Schlupf auf, d. h. sie laufen unter stabilen Bedingungen mit konstanter Drehzahl. Diese Motoren können je nach Erregungsmethode des Rotors entweder erregt oder nicht erregt sein.

Erregte Synchronmotoren

Erregte Synchronmotoren sind der traditionelle Typ, bei dem der Rotor eine externe Erregung (ein Magnetfeld) benötigt, um zu funktionieren. Diese Erregung erfolgt typischerweise über ein separates Gleichstrom-Erregungssystem, oft mit Schleifringen und Bürsten. Der Motor erzeugt Drehmoment, indem er die Rotorwicklungen mit einer externen Stromquelle erregt.

Nicht erregte Synchronmotoren

Bei nicht erregten Synchronmotoren hingegen ist keine externe Erregung erforderlich. Diese Motoren benötigen weder Schleifringe noch eine Gleichstromquelle, da der Rotor ein Permanentmagnet oder ein Reluktanzrotor sein kann. Je nach Rotorkonstruktion werden diese Motoren auch als Reluktanz-Synchronmotoren oder Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) bezeichnet.

Hauptunterschiede zwischen nicht erregten und erregten Synchronmotoren

Der Hauptunterschied zwischen nicht erregten und erregten Synchronmotoren liegt in der Art und Weise, wie sie das Rotormagnetfeld erzeugen. Im Folgenden vergleichen wir die beiden anhand verschiedener Faktoren:

Faktor	Nicht-erregte Synchronmotoren	Erregte Synchronmotoren
Rotorbauart	Permanentmagnet oder Reluktanz	Gewickelter Rotor mit externer Erregung
Erregersystem	Keine externe Erregung erforderlich	Erfordert ein externes Gleichstrom-Erregersystem
Komplexität	Einfachere Konstruktion	Komplexer aufgrund externer Erregerkomponenten
Wirkungsgrad	Höherer Wirkungsgrad, keine Verluste im Erregersystem	Leicht niedrigerer Wirkungsgrad durch Verluste im Erregersystem
Steuerung	Geeignet für Anwendungen mit weniger präziser Steuerung	Bietet präzise Steuerung von Geschwindigkeit und Leistung
Wartung	Geringerer Wartungsaufwand	Wartung erforderlich aufgrund von Schleifringen und Bürsten
Kosten	In der Regel geringere Kosten	Höhere Kosten durch zusätzliche Komponenten (Erregersystem)
Anwendungen	Geeignet für Drehzahlregelantriebe und kleine Anwendungen	Ideal für große Industrieanwendungen mit hoher Präzision

 

Vergleich der Erregersysteme

Erregte Synchronmotoren

Erregte Synchronmotoren nutzen ein externes Gleichstrom-Erregersystem, um ein Magnetfeld im Rotor zu erzeugen. Die Erregerleistung wird typischerweise von einer separaten Quelle bereitgestellt, entweder über Bürsten und Schleifringe oder über einen bürstenlosen Erreger. Dieses System erfordert ständige Überwachung und Wartung, da Schleifringe und Bürsten mit der Zeit verschleißen können. Das Erregersystem trägt zudem zum zusätzlichen Energieverbrauch bei und mindert so leicht den Wirkungsgrad des Motors.

Unerregte Synchronmotoren

In nichterregten Synchronmotoren werden Permanentmagnete oder Reluktanzrotoren verwendet, die kein externes Erregersystem benötigen. Reluktanzmotoren arbeiten mit variabler Reluktanz, während Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) leistungsstarke, in den Rotor integrierte Magnete benötigen. Diese Konstruktionen machen ein externes Erregersystem überflüssig, was zu geringerer Komplexität, niedrigeren Wartungskosten und einem höheren Wirkungsgrad führt.

Motoreffizienz

Die Effizienz ist ein entscheidender Faktor bei der Auswahl des richtigen Motors für eine Anwendung. Vergleichen wir die Effizienz beider Motortypen:

• Erregte Synchronmotoren: Obwohl diese Motoren effizient sind, weisen sie einige Verluste im Erregersystem auf. Der dem Rotor zugeführte Gleichstrom erzeugt Wärmeverluste und erhöht den Energieverbrauch. Die Notwendigkeit eines separaten Erregersystems und das Vorhandensein von Schleifringen können zusätzliche Verluste verursachen.

   

• Nicht erregte Synchronmotoren: Nicht erregte Synchronmotoren sind in der Regel effizienter. Durch den Verzicht auf ein komplexes Erregersystem und die Verwendung von Permanentmagneten oder Reluktanzrotoren weisen diese Motoren geringere Energieverluste auf. Die direkte Kopplung zwischen Rotor und Statorfeld sorgt für einen besseren Wirkungsgrad.

Effizienzvergleich:

Motortyp	Wirkungsgrad (%)
Erregte Synchronmotoren	85–92 %
Nicht-erregte Synchronmotoren	92–98 %

 

Kosten und Komplexität

Erregte Synchronmotoren

Erregte Synchronmotoren sind aufgrund der zusätzlichen Komponenten für das Erregersystem in der Regel teurer. Der Bedarf an Bürsten, Schleifringen und einer externen Gleichstromversorgung erhöht sowohl die Anschaffungs- als auch die Betriebskosten. Die Komplexität des Motors führt zudem zu mehr ausfallgefährdeten Teilen und damit zu einem höheren Wartungsaufwand.

Unerregte Synchronmotoren

Unerregte Synchronmotoren sind einfacher zu entwickeln und kostengünstiger zu produzieren. Da weder Schleifringe noch externe Erregersysteme erforderlich sind, sind diese Motoren kostengünstiger in Herstellung und Wartung. Durch den Einsatz von Permanentmagneten oder Reluktanzrotoren entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Stromversorgung für den Rotor, was die Kosten weiter senkt.

Anwendungen

Erregte Synchronmotoren

Anwendungen, die eine exakte Regelung von Drehzahl und Drehmoment erfordern, wie Synchrongeneratoren, Kraftwerke und große Industriemaschinen, verwenden häufig erregte Synchronmotoren.
Sie eignen sich ideal für Großanwendungen wie Pumpen, Kompressoren und große Antriebe, die ein hohes Anlaufdrehmoment und eine konstante Drehzahl unter wechselnden Lastbedingungen erfordern.

Nicht erregte Synchronmotoren

Anwendungen, die einen hohen Wirkungsgrad und einfachere Systeme erfordern, setzen auf nicht erregte Synchronmotoren, insbesondere Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM).
Diese Motoren werden häufig in der Robotik, im Automobilbereich (z. B. in Elektrofahrzeugen), in Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystemen sowie in kleinen Industrieanwendungen eingesetzt. PMSM eignen sich aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer kompakten Bauweise besonders für drehzahlgeregelte Antriebe.

Anwendungsvergleich:

Motortyp	Häufige Anwendungen
Erregte Synchronmotoren	Große Industriemaschinen, Kraftwerke, Synchrongeneratoren, Pumpen, Kompressoren
Nicht-erregte Synchronmotoren	Robotik, Elektrofahrzeuge, HLK-Systeme, kleinformatige Industrieanwendungen, Präzisionsmaschinen

 

Vorteile und Nachteile

Vorteile von erregten Synchronmotoren:

• Hohes Anlaufdrehmoment: Erregte Motoren eignen sich für Anwendungen mit hoher Last, da sie ein hohes Anlaufdrehmoment erzeugen können.

   

• Präzise Drehzahlregelung: Sie eignen sich perfekt für Anwendungen, bei denen eine exakte Drehzahlregelung entscheidend ist, da sie eine außergewöhnliche Drehzahlregelung bieten.

   

• Zuverlässigkeit bei großen Anwendungen: Ihre Fähigkeit, unter wechselnden Lasten ohne Synchronisationsverlust zu arbeiten, macht sie für den Einsatz im Großbetrieb zuverlässig.

Nachteile von erregten Synchronmotoren:

• Komplexität: Die Notwendigkeit von Schleifringen, Bürsten und einem externen Erregersystem erhöht die Komplexität.
• Wartung: Das externe Erregersystem muss regelmäßig gewartet werden, was die Betriebskosten und Ausfallzeiten erhöht.
• Geringere Effizienz: Das externe Erregersystem führt zu Energieverlusten und verringert so die Gesamteffizienz.

Vorteile nicht erregter Synchronmotoren:

• Hoher Wirkungsgrad: Da keine externe Erregung erforderlich ist, sind nicht erregte Motoren tendenziell effizienter.
• Geringere Wartung: Der Wartungsaufwand wird durch den Wegfall von Bürsten und Schleifringen reduziert.
• Einfachheit: Aufgrund ihrer einfachen Entwicklung und Bedienung sind diese Motoren auf lange Sicht kostengünstiger.

Nachteile nicht erregter Synchronmotoren:

• Geringeres Anlaufdrehmoment: Nicht erregte Motoren haben im Allgemeinen ein geringeres Anlaufdrehmoment als erregte Synchronmotoren.
• Eingeschränkte Regelung: Diese Motoren bieten in bestimmten Anwendungen möglicherweise nicht die gleiche präzise Drehzahlregelung wie erregte Motoren.
• Größenbeschränkungen: Aufgrund der Verwendung von Permanentmagneten oder Reluktanzrotoren können Größe und Leistung nicht erregter Motoren eingeschränkt sein.

Fazit

Sowohl nicht erregte als auch erregte Synchronmotoren haben ihren Platz in modernen Industrieanwendungen. Erregte Synchronmotoren werden bevorzugt in Großanwendungen mit hohem Drehmoment eingesetzt, die eine präzise Steuerung und konstante Drehzahl bei wechselnden Lasten erfordern. Diese Motoren sind jedoch mit höheren Kosten, höherer Komplexität und höherem Wartungsaufwand verbunden.

Nicht erregte Synchronmotoren, insbesondere Permanentmagnet-Synchronmotoren, bieten einen hohen Wirkungsgrad, eine einfachere Konstruktion und geringere Wartungskosten. Sie eignen sich ideal für kleinere Anwendungen oder Anwendungen, die eine variable Drehzahlregelung mit geringerem Anlaufdrehmoment erfordern.

Letztendlich hängt die Wahl zwischen nicht erregten und erregten Synchronmotoren von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, einschließlich Kosten, Wirkungsgrad, Drehmoment, Regelgenauigkeit und Wartungsanforderungen. Das Verständnis der Unterschiede zwischen diesen beiden Motortypen hilft bei der Auswahl des richtigen Motors für die jeweilige Anwendung, optimiert die Leistung und senkt die Betriebskosten.