Was ist ein geschalteter Reluktanzmotor?
Funktionsprinzip
Ein geschalteter Reluktanzmotor (SRM) hat ausgeprägte Pole an Stator und Rotor. Der Stator trägt einfache konzentrierte Spulen; der Rotor besteht nur aus geschichtetem Stahl, ohne Magnete, ohne Käfig und ohne Wicklung. Wird ein Statorstrang bestromt, werden die nächsten Rotorpole in Flucht mit ihm gezogen, um den magnetischen Weg zu verkürzen, und dieser Zug ist das Drehmoment. Danach werden die Stränge nacheinander bestromt, sodass der Rotor dem aktiven Polpaar ständig nachläuft.
Drehmoment und Induktivität
Das Drehmoment eines Strangs ist T = ½·i²·dL/dθ. Es ist positiv, solange die Strang-Induktivität steigt, wenn sich ein Rotorpol dem Statorpol nähert, und negativ, solange sie fällt. Da der Strom quadriert wird, hängt die Momentenrichtung nicht von der Stromrichtung ab, und jeder Strang braucht nur unipolaren Strom. Deshalb kann der Umrichter eine asymmetrische Halbbrücke mit zwei Schaltern und zwei Dioden pro Strang sein, die den Zwischenkreis nie kurzschließen kann.
Ein- und Ausschaltwinkel
Der Umrichter legt vom Einschalt- bis zum Ausschaltwinkel +V an einen Strang, danach −V, bis der Strom wieder null ist. Bei niedriger Drehzahl steigt der Strom schnell und wird getaktet, um einen Sollwert zu halten. Bei hoher Drehzahl bleibt wenig Zeit, der Strom erreicht den Sollwert nicht mehr, und es bleibt ein Einzelpuls, sodass das Moment etwa mit dem Quadrat der Drehzahl fällt. Ein zu später Ausschaltwinkel lässt Strom im Bereich fallender Induktivität fließen und bremst den Rotor.
Momentenwelligkeit und Anwendungen
Das Moment kommt in Pulsen, einem pro Schritt, daher sind Welligkeit, Vibration und Geräusch groß. Eine 8/6-Maschine mit vier Strängen überlappt ihre Schritte und läuft ruhiger als eine 6/4 mit drei. Dafür ist der Rotor billig und robust, verträgt hohe Temperaturen und Drehzahlen, und der Ausfall eines Strangs stoppt die Maschine nicht. SRMs finden sich in Staubsaugern, Textilmaschinen, Flugzeug-Starter-Generatoren und Traktionsantrieben.
Häufig gestellte Fragen
- Warum braucht ein geschalteter Reluktanzmotor keine Magnete?
- Der Rotor wird zu jedem bestromten Statorpol gezogen, weil der magnetische Fluss den Weg des geringsten Widerstands nimmt; ein Rotorfeld ist nicht nötig. Das Moment folgt ½·i²·dL/dθ und hängt nicht vom Vorzeichen des Stroms ab. Im Simulator zeigt das Zyklusdiagramm, dass Moment nur entsteht, solange die Induktivität steigt.
- Warum ist die Momentenwelligkeit eines SRM so groß?
- Jeder Strang liefert nur während eines Teils der Rotorpolteilung einen Momentenpuls, und der Puls folgt dem Strom beim Auf- und Abbau. Überlappen die Pulse benachbarter Stränge schlecht, bricht das Gesamtmoment dazwischen ein. Wechseln Sie von 6/4 zu 8/6 und vergleichen Sie die Momentenkurve: Die Welligkeit sinkt, weil sich mehr Stränge jede Teilung teilen.
- Was passiert, wenn der Strang zu spät abgeschaltet wird?
- Der Strom kann nicht sofort abfallen: Er klingt unter −V ab, während sich die Pole der Ausrichtung nähern. Fließt er noch nach der Ausrichtung, fällt die Induktivität, und derselbe Strom erzeugt nun negatives Moment, das den Rotor bremst und Energie verschwendet. Verschieben Sie den Ausschaltwinkel gegen 0° und darüber hinaus und beobachten Sie Anteil und Wirkungsgrad.