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Reluktanzmotoren Synchronreluktanzmotoren sparen Energie und teure Rohstoffe

| Autor/ Redakteur: Peter F. Brosch / Stefanie Michel

Permanentmagnet-Synchronmotoren steigern zwar den Wirkungsgrad, doch sie nutzen teure Neodym-Eisen-Bor-Magnete. Der Läufer eines Reluktanzmotors dagegen benötigt weder eine Erregerwicklung noch Permanentmagnete. Außerdem steigert der Wegfall der Läuferverluste den Wirkungsgrad erheblich.

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KSB-Frequenzumrichter Pump Drive und der Synchronreluktanzmotor (Supreme, Bemessungsleistung: 0,75 kW) auf dem Prüfstand in der Hochschule Hannover.
KSB-Frequenzumrichter Pump Drive und der Synchronreluktanzmotor (Supreme, Bemessungsleistung: 0,75 kW) auf dem Prüfstand in der Hochschule Hannover.
(Bild: Brosch)

Um den Wirkungsgrad zu steigern, wurden bisher häufig Permanentmagnet-Synchronmotoren (PM-Motoren) eingesetzt. Dabei spart man zwar die Läufererregerleistung ein, muss aber teure Neodym-Eisen-Bor-Magnete, deren Rohstoffe aus Fernost kommen, einbauen. Eine Erregerwicklung oder spezielle Permanentmagnete sind für den Läufer des Reluktanzmotors nicht nötig.

Der innovative Ansatz des Synchronreluktanzmotors (SRM) im Vergleich zu den derzeit in der Antriebstechnik vorherrschenden Hochwirkungsgrad-Asynchron- (DAM) oder permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMS) liegt in der Läufergestaltung. Der Läufer des Synchronreluktanzmotors benötigt weder eine Erregerwicklung noch spezielle Permanentmagnete. Das Ständerdrehfeld nimmt einfach die im Läufer entstehenden Pole mit. Der speisende Frequenzumrichter ermöglicht einen drehzahlvariablen Betrieb in einem großen Bereich, sogar mit Feldschwächung. Der Wegfall der Läuferverluste steigert den Wirkungsgrad erheblich und verhilft so diesem Antriebskonzept zu neuen Einsatzmöglichkeiten.

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Energieeffizienz
Energieeinsparung mit Hocheffizienzmotoren am Beispiel der KSB-Suprememotoren
  • In einem typischen Heiz- oder Kühlkreislauf entfallen auf den Bemessungspunkt gerade einmal 6 % der Gesamtbetriebszeit.
  • Wird bei 6000 Betriebsstunden pro Jahr statt eines IE3-Asynchronmotors ein KSB-Suprememotor eingesetzt, zeigen sich gerade durch den Betrieb bei Teillast große zusätzliche Einsparungen.
  • Bei einem vierpoligen 7,5-kW-Suprememotor liegen diese weit über 200 Euro pro Jahr (bei einem angenommenen Energiepreis von 13 Cent pro Kilowattsunde).
  • Dies entspricht zusätzlichen 7 % Energiekosteneinsparung, obwohl der Wirkungsgradvorteil am Bemessungspunkt nur 0,8 Prozentpunkte beträgt.

Läufer eines Synchronreluktanzmotors trägt keine Wicklung

Bei einem Reluktanzmotor steckt in einem „normalen“ Ständer mit verteilter Drehstromwicklung ein Läufer, dessen Bleche einen besonderen Querschnitt aufweisen, um den Magnetfluss optimal zu führen. Eine extrem anisotrope Läufergeometrie mit Flussführungen und Flusssperren sorgt für eine möglichst ausgeprägte, magnetische Vorzugsrichtung (in d-Richtung), wie aus dem Prinzipbild und den Blechschnitten in Bild 1 zu sehen ist. Der Läufer ist nur aus den gestanzten Blechen aufgebaut und trägt keinerlei Wicklung. Der Synchronreluktanzmotor läuft ohne Lagegeber, wenn er von einem Frequenzumrichter mit angepasster Software gespeist wird. Er kann in einem weiten Bereich – auch mit Feldschwächung - drehzahlvariabel betrieben werden.

Werden die Ständerwicklungen bestromt, bilden sich die Läuferpole so aus, dass ein maximales Reluktanzdrehmoment erreicht wird. Der magnetische Widerstand in Längsrichtung des Polrades (d-Achse, synchrone Längsreaktanz) ist wesentlich kleiner als der in Richtung der Pollücke (q-Achse, synchrone Querreaktanz). Das heißt, dass das Verhältnis der Induktivitäten konstruktiv möglichst klein gehalten werden muss. Bei vierpolig ausgeführten Synchronreluktanzmotoren erreicht man ein Reluktanzverhältnis von bis zu 1:8.

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