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.

Läufer dreht bei umlaufendem Drehfeld mit der Drehfrequenz

Das Arbeitsprinzip des Motors zeigt Bild 3 (siehe Bildergalerie) genauer: Bringt man einen Eisenstreifen in ein Magnetfeld, so versucht er sich in Richtung der Feldlinien (ψ) zu drehen und eine Position parallel zu ihnen einzunehmen. Dreht man ihn aus dieser Position heraus, entsteht ein drehwinkelabhängiges Drehmoment T. Darauf fußt das Arbeitsprinzip des Motors. Ist das Feld ein umlaufendes Drehfeld, so wird der Läufer ebenfalls mitgenommen und dreht mit der Drehfrequenz. Das Drehmoment T eines Reluktanzmotors erhält man aus den Motordaten.

Da beim anisotropen Läuferblech eines Reluktanzmotors im Vergleich zum Läuferblech eines Kurzschlussläufers stellenweise Eisen fehlen, wird etwas mehr magnetisierender Ständerstrom benötigt. Somit fällt folglich der Ständerstrom auch etwas höher aus als der beim Drehstrom-Asynchronmotor, da er den Läufer mit quasi „vergrößertem“ Luftspalt magnetisieren muss. Bild 4 gibt die Verhältnisse am Synchronreluktanzmotor und dem Standard-Asynchronmotor mit IE2 wieder. Alle Daten zeigen den erwarteten Verlauf:

  • Wegen der fehlenden Läuferverluste ist der Wirkungsgrad besser.
  • Wegen des größeren Magnetisierungsbedarfs ist der Ständerstrom größer (und folglich der cosφ entsprechend kleiner) im Vergleich zum IE2-Motor.

Größere Ventile des Wechselrichters im Ausgang des Frequenzumrichters

Wegen des vergleichsweise größeren Ständerstroms müssen die Ventile des Wechselrichters im Ausgang des Frequenzumrichters entsprechend größer bemessen werden. Der Netzstrom des Antriebs ist davon nicht betroffen, da der Zwischenkreiskondensator den höheren Blindstrom aufbringt und quasi nur die Wirkleistung aus dem Netz gedeckt wird.

Die vom Ständerstrom erregten Läuferpole entwickeln ein synchrones Drehmoment, das Reluktanzmoment, wenn sich der Läufer im Einrastfall zum umlaufenden Drehfeld in die magnetische Vorzugsrichtung einstellt und „in Tritt“ gefallen ist. Abhängig von der Belastung stellt sich – wie bei jedem Synchronmotor – ein Polradwinkel ϑ ein. Wird das Kippmoment überschritten, fällt der Motor „außer Tritt“.

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Synchronreluktanzmotoren
Welche Unternehmen die Synchronreluktanzmotoren anbieten
  • Die Supreme-Motoren von KSB bis 45kW Bemessungsleistung sind grundsätzlich mit Pumpdrive drehzahlgeregelte Synchronantriebe, und bieten damit auch alle Vorteile der bedarfsgerechten Betriebsweise

Um den Synchronreluktanzmotor kostengünstig zu betreiben, ist die exakte Ermittlung der Polradlage ohne Lagegeber notwendig. Dieser sensorlose Betrieb ist mit einer angepassten Software im Frequenzumrichter möglich, sodass ein teurer Läuferlagegeber entfallen kann. Ein geberloser Betrieb ist sowohl nach dem Regelprinzip der „feldorientierten Regelung“ wie bei KSB als auch mit der „direkten Drehmoment-Regelung DTC“ bei ABB erprobt und implementiert.

Synchronreluktanzmotor bleibt bei Überlastung stehen

Von einem Frequenzumrichter gespeist laufen Synchronreluktanzmotoren mit variabler synchroner Drehzahl n ~ f. Beim Einschalten des Umrichters synchronisiert der Läufer, fällt „in Tritt“ und lässt sich dann frequenzsynchron betreiben. Mit der bereits angesprochenen angepassten Umrichtersoftware für einen geberlosen Betrieb kann das Antriebspaket nun im ganzen Drehzahlbereich bis in den Feldschwächbereich arbeiten.

Bei Überlastung fällt der Synchronreluktanzmotor „außer Tritt“ und bleibt stehen. Dieses von den bisher angebotenen Reluktanzmotoren abweichende Verhalten ist verständlich, wenn man sich vergegenwärtigt, dass der Läufer weder Anlauf- noch Dämpferwicklungen trägt.

Gesetzliche Vorgaben zwangen die Motorenhersteller in den letzten Jahren dazu, die Wirkungsgrade der Motoren zu erhöhen und damit die Verluste in den Motoren zu reduzieren. Dabei wurden mehrere Wege beschritten. So reduzieren mehr Eisen und mehr Kupfer die Ständerverluste. Um die Läuferverluste zu verringern, wurde das Aluminium in den Läuferkäfigen von Asynchronmotoren durch das besser leitende Kupfer ersetzt. Bei Synchronmotoren wurde die Läuferwicklung komplett gegen hocheffiziente Permanentmagnete getauscht (PM-Synchronmotor). Permanentmagnete aus dem Seltenerdmaterial (NeFeB), sind in der Verfügbarkeit jedoch eingeschränkt. Da fernöstlicher Hersteller den Markt dominieren, führte das bereits zeitweise zu Liefereinschränkungen und enormen Preissteigerungen von bis zu 400 % in zwei Jahren. Die sind deutliche Signale, die zum Umdenken zwingen sollten.

Reduzierte Verluste beim Reluktanzmotor steigern Wirkungsgrad

Da beim Reluktanzläufer nahezu keine Läuferverluste auftreten, ist keiner der eben genannten Schritte notwendig. Er ist somit auch bestens geeignet, zukünftig als Hocheffizienzmotor eingesetzt zu werden, da die reduzierten Verluste den Motorwirkungsgrad erheblich ansteigen lassen (Bild 4). Messungen zeigen auch, dass gerade in einem breiten Teillastbereich der Wirkungsgrad bei Synchronreluktanzmotoren kaum abfällt (Bild 5).

Bereits heute werden Pakete, bestehend aus angepasstem Frequenzumrichter und Synchronreluktanzmotor, angeboten und sind lieferbar. Die Motoren erfüllen die Anforderungen der IE4-Effizienzklasse „Super Premium Efficiency“ (Bild 6). Da zurzeit viele Antriebe auf IE2-Motoren umgestellt werden müssen, kann ernsthaft überlegt werden, ob die Umstellung nicht gleich auf IE3 oder IE4 erfolgen sollte. Die hohen Energieeinsparungen von bis zu 75 % im Vergleich zum Istzustand sind sicher gut als offensives Verkaufsargument zu nutzen.

Im Retrofitfall sollten drehzahlvariable Antriebe mit langen Laufzeiten eigentlich nur mit diesen Motoren ausgeführt werden und so Betriebskosten sparen. Die Software des Umrichters lässt sich leicht auf den sensorlosen Betrieb umstellen, indem man eine angepasste Software für sensorlosen Betrieb aufspielt.

Große Effizienzsteigerung bei Antrieben mit hohen Betriebsstunden

Gerade bei den Antrieben mit hohen Betriebsstundenzahlen im unteren Leistungsbereich verbunden mit hohen Stückzahlen für Kompressoren, Transportbänder, Lüfter- und Pumpenantriebe sind die Effizienzsprünge beim Einsatz eines Antriebs mit Synchronreluktanzmotor groß. Messungen zeigen, dass die Effizienz auch im Teillastbereich (Bild 6) hoch bleibt. Das ist besonders für alle Lüfter- und Pumpenantriebe interessant, die oft mit wechselnden Fördermengen arbeiten und bei denen unter Umständen sogar noch Drosseln eingesetzt werden. Der Einsatz ist als Antriebssystem „Umrichter-Reluktanzmotor-Last“ vorgesehen. Transportbänder, Pumpen, Gebläse und Kompressoren mit langen Betriebszeiten sind optimale Lasten für solche Antriebe.

Der stetige Anstieg der Energiepreise ist wohl unausweichlich und Antriebe mit Hochwirkungsgradmotoren – besonders für hohe Jahresbetriebsstundenzahlen – werden sich schnell amortisieren. Synchronreluktanzmotoren haben einen hohen Wirkungsgrad im Bemessungspunkt und sehr gute Effizienzwerte im Teillastbereich. Somit eignen sie sich optimal für alle S1-Antriebe mit hohen Betriebsstundenzahlen, wie beispielsweise Transportbänder, Lüfter und Pumpen. Antriebe mit Synchronreluktanzmotoren erfüllen bereits die höchste Effizienzklasse IE4. Am Entwurf von IE5 wird gearbeitet.

* Prof. Dr.-Ing. Peter Friedrich Brosch arbeitet an der Hochschule Hannover, Fakultät I, in 30173 Hannover

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