Was ist ein Synchron-Reluktanzmotor?
Funktionsprinzip
Der Synchron-Reluktanzmotor (SynRM) hat einen Läufer, der nur aus Blechpaketen besteht: keine Magnete, kein Käfig, keine Wicklungen. Gebogene Luftschlitze, die Flussbarrieren, machen den Läufer magnetisch unsymmetrisch: Die Induktivität ist in der Längsachse (Ld) hoch und in der Querachse (Lq) niedrig. Das Ständerfeld zieht den leichten Flussweg, die d-Achse, zu sich hin, und dieser Zug ist das Drehmoment: T = 1,5·p·(Ld − Lq)·id·iq. Bei Ld = Lq gäbe es kein Drehmoment.
Schenkligkeit und Leistungsfaktor
Das Schenkligkeitsverhältnis ξ = Ld/Lq zeigt, wie gut die Barrieren wirken. Ein größeres ξ liefert mehr Drehmoment je Ampere und einen besseren Leistungsfaktor, der (ξ − 1)/(ξ + 1) nie überschreiten kann. Bei ξ = 6 liegt die Grenze bei etwa 0,71; reale Maschinen arbeiten bei rund 0,6 bis 0,8. Weil der Läufer kein eigenes Feld hat, muss der Ständer den gesamten Magnetisierungsstrom liefern, deshalb ist der Leistungsfaktor niedriger als bei einem Permanentmagnetmotor.
Umrichterregelung und MTPA
Ein SynRM kann weder direkt am Netz anlaufen noch laufen: Ein Umrichter muss das Drehfeld erzeugen und den Stromzeiger führen. Der Umrichter teilt den Strom in id (Fluss) und iq (Drehmoment). Bei linearem Eisen ist das Drehmoment je Ampere bei einem Stromwinkel von 45° zur d-Achse am größten, dem MTPA-Punkt (maximales Drehmoment pro Ampere); Sättigung verschiebt ihn nach oben. Andere Strategien, etwa maximaler Leistungsfaktor, tauschen zusätzlichen Strom gegen ein besseres cos φ.
Drehzahl, Feldschwächung und Einsatz
Der Läufer dreht exakt mit der synchronen Drehzahl 120·f/p, ohne Schlupf. Oberhalb der Eckdrehzahl begrenzt die Umrichterspannung, daher senkt der Antrieb id (Feldschwächung) und erhöht iq, um das Drehmoment zu halten, bis das verfügbare Drehmoment sinkt. Ohne Läuferverluste und Magnete laufen SynRM kühl, sind günstig und gut recycelbar. Sie werden in Pumpen, Lüftern und Kompressoren als IE4- und IE5-Alternative zu Asynchronmotoren eingesetzt.
Häufig gestellte Fragen
- Wie erzeugt ein Motor Drehmoment ohne Magnete oder Wicklungen im Läufer?
- Durch Reluktanz. Die Flussbarrieren machen den Läufer in der d-Achse leicht und in der q-Achse schwer magnetisierbar. Das Ständerfeld versucht, die leichte Achse auf sich auszurichten, und diese Kraft ist das Drehmoment, proportional zu (Ld − Lq)·id·iq. Setzen Sie das Schenkligkeitsverhältnis im Simulator auf 1, und das Drehmoment verschwindet.
- Warum ist der Leistungsfaktor eines SynRM niedrig?
- Der Läufer bringt keinen eigenen Fluss mit, also muss der Ständerstrom ihn vollständig liefern und ist dadurch überwiegend Blindstrom. In einer verlustfreien Maschine kann der Leistungsfaktor (ξ − 1)/(ξ + 1) nicht überschreiten; nur eine hohe Schenkligkeit ergibt einen guten Wert. Ändern Sie ξ und beobachten Sie die Grenze im Diagramm.
- Kann ein Synchron-Reluktanzmotor direkt am Netz laufen?
- Nein. Er hat keinen Käfig zum Anlaufen und kein Feld zum Halten des Synchronismus, daher braucht er einen Umrichter, der die Frequenz hochfährt und den Stromwinkel vorgibt. Der Motor folgt dann der Solldrehzahl exakt. Erhöhen Sie die Drehzahl über 100 %, und der Simulator zeigt die Feldschwächung.