Synchronreluktanzmotoren - Antriebe der Zukunft

Dieser Motortyp, kurz SynRM genannt, ist nach aktuellem Stand der Motor der Zukunft. Argumente dafür sind, dass der Synchron-Reluktanzmotor:

  • Einfach aufgebaut ist
  • Robust und langlebig ist
  • Nur häufig vorkommende Rohstoffe enthält
  • Hohe Drehzahlen leisten kann
  • Meist eine hohe Überlastfähigkeit besitzt
  • Service- und reparaturfreundlich ist
  • Die besten Wirkungsgrade hat
    • In fast allen Teil- und Überlasten 
    • In fast allen Drehzahlbereichen
  • Für hohe Außentemperaturen geeignet ist
  • Gut zu recyclen ist

Die Technik des SynRM ist lange bekannt, der Betrieb ohne elektronische Regelung und Rotorlagegeber war allerdings schwierig.

Der SynRM kann nur mit einem Frequenzumrichter (FU) betrieben werden, daher muss die Verlustleistung des FU zusätzlich berücksichtigt und kompensiert werden.

Anfangs wurden Pumpen und Lüfter mit SynRM betrieben, da diese durch die quadratische Kennlinie einfach zu regeln waren. Außerdem hat der ASM im Teillastbereich einen relativ schlechten Wirkungsgrad.

Hersteller wie ABB und Siemens - welche sowohl die Motoren als auch die Umrichter herstellen - sind in der Lage, die meisten Anwendungen mit vektorgeregelten, preiswerteren Umrichtern umzusetzen. Dies ist für die Hersteller beider Bauteile einfacher umzusetzen, da die Daten der Bauteile genau bekannt sind und auf dem eigenen Prüffeld optimiert und voreingestellt werden können.

Anwender wünschen sich jedoch keine Abhängigkeit von einzelnen Herstellern und möchten andere Motoren- oder FU-Fabrikate einsetzen bzw. diese kombinieren.

Der nachstehende Bericht beschäftigt sich genau mit diesem Thema und den Einsatz in Industrieanwendungen um den ASM zu ersetzen.

Herstellerübergreifende Anwendung von SynRM

Es geht um Netzspannungen von 230-690 V, 50/60 Hz oder DC-Netz ähnlicher Spannung und Motoren von 0,06 bis etwa 1.000 kW für Industrie, Gebäude, ortsfeste Logistik (Hochregale, Förderbänder) und vergleichbare Anwendungen. Die Energie-Rückgewinnung (siehe DC-Industrie) spielt ebenfalls eine wichtige Rolle.

Herstellerübergreifende Lösungen zum Synchronreluktanzmotor
Läufer von Synchronrelukanzmotor

Motoren

werden als IEC-Normmotor oder als Kompaktmotor mit Sondermaßen oder hoher Leistungsdichte, auch für eng bemessene Einbausituationen, hergestellt. Die IEC-SynRM fast aller Hersteller werden bei Nennlast mit einer niedrigen Motor-/Wirkungstemperatur betrieben, um den Wärmeverlust gering zu halten. So findet im Gegensatz zu älteren ASM keine thermische Alterung mehr statt.

Dieses Konstruktionsmerkmal ist unter Umständen eine Leistungsreserve. Die meisten Motoren können weiterhin mit der Temperatur nach der Isolationsklasse betrieben werden und so theoretisch dauerhaft eine Leistungsreserve - je nach Typ - mit bis zu 100% Überlast fahren. Hierbei hat der Motor jedoch einen schlechten Wirkungsgrad, was einen längeren Betrieb unlogisch macht. Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen Überlast eine zeitliche Ausnahme darstellt und in der ganzheitlichen Betrachtung es mehr Sinn macht, wenn der Antrieb für diesen kleinen Zeitraum nicht effizient, aber für den gesamten Rest deutlich optimaler betrieben wird.

Hier finden Sie Beispiele für bewusste Unterdimensionierung von Motoren.

Der Aufbau eines SynRM ist vergleichbar einfach wie der des ASM und damit sehr reparaturfreundlich. Da er nur eine geringe Temperatursteigerung bei Volllast hat, kann er auch bei hoher Umgebungstemperatur eingesetzt werden. Ein PM ist dafür nicht geeignet, da er seine Magnetkraft verliert.

Die meisten Hersteller bauen 4-polige Motore, welche dann mittels der passenden Frequenz auf die gewünschte Drehzahl gebracht werden.

Wenn man sich die meisten Produktionsprozesse ansieht, ist es sinnvoll, sogar laufende Antriebe gegen SynRM auszutauschen. Die Amortisationszeit ist dann gering. Hierbei muss der Prozess und der Leistungsverlauf bekannt sein oder gemessen werden, um eine objektive Bewertung abzugeben.

Laut Studien betragen die Energiekosten eines Motors 90-97 % der Gesamtkosten des Antriebs gegenüber den Anschaffungs- und Wartungskosten (3-10%). Ein unschlagbares Argument für diese leistungsfähige Antriebsart im Vergleich zu Billig-Motoren. Sobald eine hohe Herstellmenge erreicht wird, ist der Preis nicht höher als bei einen ASM.

Eine Ausnahme gibt es: Bei immer gleicher Last und Drehzahl mit der Motorfrequenz ist ein IE3- oder IE4-ASM ohne Umrichter günstiger zu betreiben, da die Umrichter-Verluste kompensiert werden müssen. Ein SynRM muss am Umrichter betrieben werden, ein Netzbetrieb ist nicht möglich.

Hersteller von Synchron-Reluktanzmotoren mit IEC-Abmessung

Wir beobachten die Vor- und Nachteile der einzelnen Hersteller und ergänzen Details hier laufend.

Auf unserer ABB-Seite haben wir viele Informationen über die Motoren zusammengestellt, ABB erklärt in vielen Dokumenten den Vorteil von SynRM. 

Leistungsbereich: 5,5 - 315 kW – z.T. ab Europalager ABB in Menden

VEM verwendet für seinen SynRM Standard-Bauteile, welche bei allen anderen Normmotoren auch verwendet werden. Das macht eine Modifikation mit anderen Flanschen,Bremsen oder Fremdlüftern im Baukastensystem einfach und garantiert schnelle Lieferzeiten. Wir haben daher jeweils den stärkeren Motor einer Bezugsgröße auf Lager, um den Umstieg in die Zukunft leicht zu machen.

Leistungsbereich: 0,75 - 55 kW – z.T. ab Vogel-Lager

Frequenzumrichter

sind nicht immer geeignet, SynRM zu betreiben. Hersteller wie ABB und Siemens können oft mit einfachen, vektorgeregelten Umrichtern ihre eigenen Motoren betreiben, da sie über die genauen Daten der Motoren verfügen und die Daten in den Geräten hinterlegen können.

Umrichter-Hersteller, welche kein eigenes Motorenprogramm besitzen, müssen daher andere Wege gehen. Was allerdings durchaus Sinn macht, wenn der Motor getauscht werden muss und der gleiche Motor nicht zur Verfügung steht. Ebenso ermöglicht dies Flexibilität, sofern man aufgrund von Abmessungen, Beschaffung oder Vorlieben für einen anderes Fabrikat, den Antrieb austauschen muss.

ABB-Frequenzumrichter für Synchronreluktanzmotoren

Mit der von ABB bereits 1995 auf den Markt gebrachten DTC-Regelung ist es möglich, fast jeden SynRM fremder Fabrikate zu betreiben. Der F6- und der S6-Umrichter von KEB können dank ihrer SCL-Reglung (Sensorless-Closed-Loop) ebenfalls alle SynRM betreiben. KOSTAL hat mit dem MP-Umrichter und seinem Pulsinjektionsverfahren ebenfalls ein Gerät auf den Markt gebracht, welcher einen Betrieb mit Synchronmotor und ASM gewährleistet.


Hersteller von Frequenzumrichtern zur Reglung von Synchron-Reluktanzmotoren

Wir beobachten die Vor- und Nachteile der einzelnen Hersteller und ergänzen Details hier laufend.

Der Industrieumrichter ASC880 von ABB, mit seinem Leistungsspektrum von 0,55 bis 6.000 kW, kann durch die DTC-Regelung fast alle SynRM betreiben. Der preiswertere ACS580 kann alle ABB-SynRM betreiben und bietet mit der Sonderlösung für die Wasserbranche => ACQ580 und HKL-Branche (Gebäudetechnik) => ACH580 - mit der bereits vorbereiteten Software - Top-Möglichkeiten für den erfahrenen Inbetriebnehmer.

Leistungsbereich: 0,55 - 6.000 kW – z.T. ab Europalager ABB in Menden

Der F6- und der kleinere S6-Umrichter von KEB können ebenfalls fast alle SynRM betreiben, jedoch sind noch Informationen über die Motoren erforderlich. Die Werte für Siemens-SynRM sind bekannt, bitte geben Sie zur Sicherheit den Motortyp an. Versuche mit KEB und VEM  laufen, wir rechnen in Kürze mit der Freigabe. Der Vorteil von KEB ist die Verfügbarkeit in unseren Lagerbestand mit weiteren Zubehöroptionen. Mit seinen serienmäßigen Schnittstellen wie ProfiNet und vielen Anderen ist der kompakte und relativ preiswerte Umrichter zukunftsweisend.

Leistungsbereich: 0,75 - 400 kW – z.T. ab Vogel-Lager

Mit dem INVEOR MP im Leistungsbereich 0,55 bis 30 kW bietet KOSTAL den Fabrikats-unabhängigen Betrieb von SynRM. Es handelt sich um einen dezentralen Umrichter zur direkten Montage auf den Motor oder in Motornähe. Gängige Typen gehören zu unserem Lagerprogramm. Die Umrichter sind bereits werkseitig mit den möglichen Features ausgerüstet. Wir haben uns bei der Lagerware generell für Bremstransistor und universelles Bussystem (u. a. ProfiNet) entschieden.

Leistungsbereich: 0,55 - 30 kW – z.T. ab Vogel-Lager

Funktionsweise des Synchronreluktanzmotors

Funktionsweise von Synchronreluktanzmotoren in Textform

Synchronreluktanzmotoren sind herkömmlichen Asynchronmotoren im Wirkungsgrad deutlich überlegen. Erfahren sie im Folgenden was die Synchronreluktanz-Technologie ausmacht und welche Vorteile sie neben einer hohen Energieeffizienz sonst noch bietet. Die Synchronreluktanzmotoren-Technologie ermöglicht extrem effiziente Systeme zusammen mit moderner Antriebs-Technologie bietet sie Vorteile wie eine hohe Energieeffizienz und hohe Leistungsdichte niedrige Lager Temperaturen und längere Lager Lebensdauer sowie eine hohe Benutzer- und Wartungsfreundlichkeit. 

Um die Funktionsweise des Synchronreluktanzmotors zu verstehen, soll sein Aufbau näher betrachtet werden.

Ein Synchronreluktanzmotor verfügt über speziell geschnittene Dynamobleche mit symmetrisch angeordneten Stegen und Luftspalten. Die Elektrobleche werden auf eine Welle gesetzt und fest miteinander verbunden, das Paket aus Welle und Blechen bildet den Rotor. Der Rotor wird in ein Gehäuse gesetzt, das Gehäuse stellt den Stator des Motors da. Der Aufbau des Stators gleicht dem eines konventionellen Drehstrom-Asynchronmotors.

Das Bild zeigt den Rotor des Synchronreluktanzmotors bei geöffnetem Motorgehäuse.Rotor mit Elektroblechen vom Synchronreluktanzmotor Die Symmetrie der Bleche über den beiden rechtwinkligen Achsen ist klar zu erkennen. Der spezielle Schnitt der metallisch leitenden Stege und nicht leitenden Luftspalten beeinflusst den magnetischen Fluss durch den Rotor.

Ein Synchronreluktanzmotor hat einen höheren Wirkungsgrad als ein Drehstrom-Asynchronmotor, warum das so ist soll hier erklärt werden. Beim Drehstrom-Asynchronmotor induziert das magnetische Drehfeld der Ständerspulen eine Spannung in den Metallkäfig des Läufers, der metallkäfig ist dabei wie eine Spule zu verstehen. Die induzierte Spannung nennt man Läuferspannung. Aufgrund der untereinander kurz geschlossenen Metallstäbe fließen in den Läuferstäben Ströme, die sogenannten Läuferströme. Die Läuferströme erzeugen ein eigenes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld versucht sich nach dem umlaufenden Magnetfeld des Stators auszurichten. Der Rotor mit der fest verbundenen Motorwelle beginnt sich zu drehen, aufgrund des Induktionsprinzips kann der Läufer nie gleich schnell wie das umlaufende Feld sein – er läuft nicht synchron, daher der Name Asynchronmotor. Der durch Induktion erzeugte Rotorstrom macht rund 40% der gesamten Motorverluste aus.

Technische Skizze Synchronreluktanzmotor MagnetfeldlinienBeim Synchronreluktanzmotor sorgt ein anderes physikalisches Prinzip dafür, dass sich die Welle dreht. Bei dieser Motortechnologie nutzt man die Eigenschaft metallischer Körper sich nach einem magnetischen Feld auszurichten. Die Ausrichtung erfolgt nach dem Prinzip des kleinsten Widerstandes, beim Magnetfeld nennt man diesen Widerstand Reluktanz. Bei dieser Ausrichtung entstehen keine Läuferströme und damit auch keine Läuferverluste, wie beim Asynchronmotor. Ein allgemein bekanntes Beispiel für die Ausrichtung eines metallischen Körpers in einem Magnetfeld ist die Kompassnadel. Eine Kompassnadel richtet sich wie man weiß nach den beiden Polen des magnetischen Feldes aus. Die Bleche des Synchronreluktanzmotors sind symmetrisch und weisen zwei rechtwinklig zueinander liegende Achsen auf. Sie sind zwei Kompassnadeln vergleichbar, die über Kreuz liegen. Wie Kompassnadeln versuchen auch die beiden Bleche sich auszurichten. Die Pole stammen hier allerdings vom umlaufenden Magnetfeld des Stators, insgesamt sind es 20 Paare. Beginnt sich das Magnetfeld des Stators zu drehen, versuchen sich die Bleche nach dem Magnetfeld auszurichten. Die Bleche und die damit verbundene Welle beginnen sich zu drehen.

Damit sich die Bleche des Synchronreluktanzmotors nach dem umlaufenden Magnetfeld ausrichten können, bedarf es einer Drehzahlregelung. Dies erledigt der Frequenzumrichter. Der FU ermöglicht ein kontrolliertes Beschleunigen des umlaufenden Magnetfeldes, und damit der Synchronisierung des Rotors. Da keine Läuferströme entstehen hat ein Synchronreluktanzmotor circa 40% weniger Motorverluste.

Anwender können das Synchronreluktanz-Prinzip auf zweierlei Weise nutzen:

  1. Mit einem Motor mit hohem Wirkungsgrad der IE-Klasse 5
  2. Mit einem kleiner dimensionierten Motor mit gleicher Leistung und einem Wirkungsgrad der Klasse IE3

Die zweite Variante bietet dem Maschinenkonstrukteur aufgrund der kleineren Bauformen neue Möglichkeiten. Beide Varianten sind außerdem bei gleicher Leistung oder gleichem Wirkungsgrad deutlich leichter als Asynchronmotoren. Die Synchronreluktanz-Technologie hat insbesondere bei kleinen Leistungen einen Wirkungsgrad-Vorteil gegenüber Asynchronmotoren. Der Vorteil des besseren Wirkungsgrades erstreckt sich über den gesamten Drehzahlstellbereich. 

Im Gegensatz zu Permanentmagnetmotoren, brauchen Synchronreluktanzmotoren auch keine seltenen Erden, das macht sie zu einer nachhaltigen, umweltschonenden Technologie. 

Synchronreluktanzmotoren stehen für ein Höchstmaß an Energieeffizienz. Sie verfügen über die höchste Energieeffizienzklassifizierung IE5 und weisen im Vergleich zu Asynchronmotoren bis zu 40% geringere Energieverluste auf. Anwender können mit ihnen nicht nur die Energieeffizienz und Zuverlässigkeit erhöhen, sondern auch die Nachhaltigkeit verbessern.

Quellen: ABB AG

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