Synchronmotoren spielen in verschiedenen industriellen Anwendungen eine wichtige Rolle, von Großkraftwerken bis hin zu kleinen Präzisionsgeräten. Zu den am häufigsten diskutierten Synchronmotortypen zählen Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM), Reluktanz-Synchronmotoren (RSM) und Hysterese-Synchronmotoren (HSM). Jeder dieser Motoren verfügt über einzigartige Eigenschaften und eignet sich aufgrund seiner Effizienz, Kosten, Drehmomententwicklung und Steuerungsmechanismen für unterschiedliche Anwendungen.

Dieser Artikel vergleicht diese drei Synchronmotortypen und konzentriert sich dabei auf deren Aufbau, Funktionsprinzipien, Vorteile, Einschränkungen und Einsatzmöglichkeiten. Wir untersuchen außerdem Praxisfälle und liefern relevante Daten, die Ihnen eine fundierte Entscheidung bei der Auswahl eines Motors für Ihre spezifischen Anforderungen ermöglichen.

Synchronmotoren im Überblick

Synchronmotoren zeichnen sich durch eine gleichmäßige Drehzahl aus, die eng mit der Polzahl des Motors und der Frequenz der Versorgungsspannung zusammenhängt. Im Gegensatz zu Asynchronmotoren (Induktionsmotoren) halten Synchronmotoren mit dem Versorgungsstrom Schritt und können so unabhängig von der Last mit gleichmäßiger Drehzahl rotieren. Diese Eigenschaft macht sie äußerst zuverlässig und präzise in Anwendungen, die eine konstante Drehzahl erfordern.

Sehen wir uns die drei Haupttypen von Synchronmotoren genauer an:

Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM)

Aufbau und Funktionsweise

Bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) besteht der Rotor aus Permanentmagneten, die ein Magnetfeld erzeugen, das mit dem Magnetfeld des Stators interagiert. Der Begriff „synchron“ beschreibt einen Zustand, in dem die Netzfrequenz und die Rotordrehzahl synchron sind. PMSM werden häufig dort eingesetzt, wo niedriger Energieverbrauch und hohe Effizienz entscheidend sind.

Hauptmerkmale:

• Hoher Wirkungsgrad: Permanentmagnete machen eine Rotorwicklung und die damit verbundenen Verluste überflüssig.
• Kompaktes Design: Der Verzicht auf zusätzliche Rotorkomponenten ermöglicht kleinere, leichtere Motoren.
• Hohe Drehmomentdichte: PMSMs liefern ein hohes Drehmoment bei kleinem Formfaktor.
• Geringere Verluste: Das Fehlen von Kupferverlusten im Rotor verbessert den Wirkungsgrad des Motors.

Anwendungen:

• Elektrofahrzeuge
• Robotik
• HVAC-Systeme
• Industrielle Automatisierung

Vorteile:

• Energieeffizienz: PMSMs gehören aufgrund der hohen magnetischen Feldstärke der Permanentmagnete zu den energieeffizientesten Motoren.
• Präzise Steuerung: Drehmoment und Drehzahl von PMSMs lassen sich mithilfe moderner Antriebe präzise steuern.
• Kompakt und leicht: Ideal für Anwendungen mit begrenztem Gewicht und Platz, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie.

Einschränkungen:

Magnetkosten: Die Verwendung von Permanentmagneten aus seltenen Erden (wie Neodym) erhöht die Anschaffungskosten des Motors.
Temperaturempfindlichkeit: Hohe Betriebstemperaturen können die Permanentmagnete entmagnetisieren und so die Motorleistung mindern.

Daten und Fallstudie

PMSMs sind beispielsweise in Elektrofahrzeugen (EVs) besonders leistungsstark. Tesla beispielsweise setzt PMSMs in seinem Model 3 ein und bietet eine optimale Kombination aus Leistung, Effizienz und Langlebigkeit. PMSMs erreichen Wirkungsgrade von über 90 % und senken so den Gesamtenergieverbrauch des Fahrzeugs deutlich, was für eine maximale Reichweite entscheidend ist.

Kennzahlen zu PMSMs:

• Wirkungsgrad: 85 % bis 98 %
• Drehmomentdichte: 2 bis 4 Nm/kg
• Drehzahlbereich: 1.000 bis 20.000 U/min
• Leistung: 0,1 bis 200 kW
• Temperaturtoleranz: Typischerweise 120 °C bis 180 °C

Reluktanz-Synchronmotor (RSM)

Aufbau und Funktionsweise

Reluktanzsynchronmotoren (RSM) basieren auf dem Prinzip des Reluktanzmoments. Der Rotor besteht aus ferromagnetischem Material, besitzt jedoch keine Permanentmagnete. Der Rotor richtet sich durch das Reluktanzmoment am Magnetfeld des Stators aus. Dieses wird durch den Wechselstrom des Stators erzeugt, der das Magnetfeld des Rotors induziert.

RSM werden in zwei Typen unterteilt:

• Rotor mit ausgeprägten Polen: Der Rotor verfügt über hervorstehende Pole, die bei Drehung für eine unterschiedliche Reluktanz sorgen.
• Rotor ohne ausgeprägte Pole: Der Rotor hat eine glatte zylindrische Form und die Reluktanz ist gleichmäßig verteilt.

Hauptmerkmale:

• Keine Permanentmagnete: RSMs benötigen keine teuren Seltenerdmagnete, was die Kosten senkt.
• Einfache Konstruktion: Die Rotorstruktur ist einfach und robust, was zu weniger Wartungsproblemen führt.
• Variable Reluktanz: Die magnetische Reluktanz des Rotors ändert sich während der Rotation, wodurch die Synchronisation mit dem Stator aufrechterhalten wird.

Anwendungen:

• Hochleistungs-Industrieanwendungen
• Kraftwerke
• Pumpen und Kompressoren
• Lüfter und Gebläse

Vorteile:

• Kostengünstig: RSMs benötigen keine teuren Permanentmagnete und sind daher günstiger als PMSMs.
• Zuverlässigkeit: Da keine Magnete vorhanden sind, neigen RSMs weniger zur Entmagnetisierung und bieten eine längere Lebensdauer.
• Hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen: RSMs eignen sich für Anwendungen mit hoher Belastung, da sie bei reduzierten Drehzahlen effektiv ein hohes Drehmoment erzeugen können.

Einschränkungen:

• Komplexe Steuerung: Reluktanzmotoren erfordern anspruchsvolle Steuerungsmethoden, um den synchronen Betrieb aufrechtzuerhalten, wie z. B. einen Hochleistungswechselrichter.
• Geringere Effizienz als PMSM: RSMs sind im Allgemeinen weniger effizient als PMSMs, da der magnetische Fluss im Rotor nicht so stark ist.

Daten und Fallstudie

RSMs kommen beispielsweise in der Stahlindustrie in Walzwerken und anderen Hochleistungsprozessen zum Einsatz. Die Effizienz der RSMs in diesen Anwendungen sorgt für Energieeinsparungen und Zuverlässigkeit, während ihre robuste Konstruktion den hohen mechanischen Belastungen standhält.

Kennzahlen der RSMs:

• Wirkungsgrad: 80 % bis 90 %
• Drehmomentdichte: 1 bis 3 Nm/kg
• Drehzahlbereich: 1.000 bis 10.000 U/min
• Leistung: 5 bis 500 kW
• Temperaturtoleranz: Bis 200 °C

Hysterese-Synchronmotor (HSM)

Aufbau und Funktionsweise

Hysterese-Synchronmotoren (HSM) nutzen den Hystereseeffekt magnetischer Materialien. Der Rotor eines HSM besteht aus einem speziellen magnetischen Material mit hohen Hystereseverlusten. Bei Einwirkung eines magnetischen Wechselfelds magnetisiert und entmagnetisiert sich der Rotor in Abhängigkeit vom Statorfeld und hält so die synchrone Drehzahl.
Im Gegensatz zu PMSM und RSM entsteht das Drehmoment bei HSM durch die Verzögerung der Magnetisierung (Hysterese), was sie ideal für eine präzise Drehzahlregelung macht.

Hauptmerkmale:

• Einfachheit: HSMs haben eine einfache Rotorstruktur, was sie kostengünstig und zuverlässig macht.
• Hervorragende Drehzahlregelung: HSMs ermöglichen eine gleichmäßige und präzise Drehzahlregelung.
• Keine Erregung erforderlich: Diese Motoren benötigen keine externe Erregung, da sie das erforderliche Magnetfeld selbst erzeugen.

Anwendungen:

• Präzisionsinstrumente
• Uhren und Zeitschaltuhren
• Wissenschaftliche Geräte
• Kleine Maschinen, die eine präzise Geschwindigkeitsregelung erfordern

Vorteile:

• Hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen: HSMs eignen sich aufgrund ihrer außergewöhnlichen Fähigkeit, Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen zu liefern, ideal für Präzisionsanwendungen.
• Laufruhiger Betrieb: Dank der gleichmäßigen Drehmomententwicklung treten während des Betriebs kaum Vibrationen und Geräusche auf.
• Einfachheit und Zuverlässigkeit: Da keine komplexen Komponenten verbaut sind, sind HSMs äußerst zuverlässig und wartungsfreundlich.

Einschränkungen:

Geringere Effizienz: Aufgrund von Hystereseverlusten weisen HSMs im Vergleich zu PMSMs und RSMs tendenziell eine geringere Effizienz auf.

Begrenzte Leistungsabgabe: HSMs werden in der Regel für Anwendungen mit geringer Leistung eingesetzt und sind nicht für Hochleistungsanwendungen geeignet.

Daten und Fallstudie

Hysterese-Synchronmotoren werden häufig in Präzisionsgeräten wie Uhren und Zeitschaltuhren eingesetzt, wo die Fähigkeit zur Beibehaltung einer exakten Drehzahl entscheidend ist. In diesen Situationen ist der Betrieb bei niedriger Drehzahl besonders vorteilhaft.

Kennzahlen für HSMs:

• Wirkungsgrad: 60 % bis 80 %
• Drehmomentdichte: 0,5 bis 1,5 Nm/kg
• Drehzahlbereich: 100 bis 1.000 U/min
• Leistungsabgabe: Bis zu 10 kW
• Temperaturtoleranz: 100 °C bis 150 °C

Vergleichstabelle: Hauptmerkmale

Merkmal	PMSM	RSM	HSM
Wirkungsgrad	85 % bis 98 %	80 % bis 90 %	60 % bis 80 %
Drehmomentdichte	2 bis 4 Nm/kg	1 bis 3 Nm/kg	0,5 bis 1,5 Nm/kg
Drehzahlbereich	1.000 bis 20.000 U/min	1.000 bis 10.000 U/min	100 bis 1.000 U/min
Ausgangsleistung	0,1 bis 200 kW	5 bis 500 kW	Bis zu 10 kW
Anwendungen	E-Fahrzeuge, Robotik, HLK	Schwerindustrie, Kraftwerke	Präzisionsgeräte, Uhren
Kosten	Hoch (wegen der Magnete)	Mittel	Niedrig (einfache Konstruktion)

 

Fazit: Die Wahl des richtigen Motors

Bei der Auswahl zwischen Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM), Reluktanz-Synchronmotoren (RSM) und Hysterese-Synchronmotoren (HSM) sollte die Entscheidung auf den spezifischen Anwendungsanforderungen basieren:

• PMSMs eignen sich ideal für Anwendungen, die hohe Effizienz, Präzision und Kompaktheit erfordern, wie beispielsweise in Elektrofahrzeugen und der Robotik.
• RSMs eignen sich besser für industrielle Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bei denen Kosteneffizienz und Robustheit wichtiger sind als höchste Effizienz.

HSMs eignen sich am besten für Präzisionsanwendungen mit geringem Stromverbrauch, bei denen eine gleichmäßige und konstante Drehzahl erforderlich ist, wie beispielsweise in wissenschaftlichen Instrumenten und kleinen Maschinen.
Jeder Motortyp ist auf spezifische Betriebsanforderungen zugeschnitten und bietet individuelle Vorteile. Wenn Sie die Eigenschaften und Einschränkungen kennen, können Sie den Motor auswählen, der Ihren Anforderungen an Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Leistung am besten entspricht.