Was ist der Lastwinkel eines Permanentmagnet-Synchronmotors?

Der Lastwinkel ist der Winkel zwischen der magnetischen Achse des Läufers und dem Statordrehfeld. Im Leerlauf ist er nahezu null und wächst mit dem Lastmoment; das Moment ist ungefähr proportional zu seinem Sinus. Das Maximum bei etwa 90° ist das Kippmoment, darüber fällt der Läufer außer Tritt. Der Simulator zeigt den Lastwinkel bei steigender Last.

Warum läuft ein PMSM genau mit Synchrondrehzahl?

Die Läufermagnete rasten am Drehfeld des Stators ein, der Läufer dreht daher mit der Feldgeschwindigkeit ns = 120 × f / P min⁻¹, ohne Schlupf. Eine Laständerung verändert den Lastwinkel, nicht die Drehzahl. Zur Drehzahländerung ändert man die Speisefrequenz, weshalb ein PMSM am Umrichter betrieben wird.

Was ist der Unterschied zwischen einem PMSM und einem Asynchronmotor?

Der Asynchronmotor erzeugt sein Läuferfeld durch Induktion, braucht daher Schlupf und hat Kupferverluste im Läufer. Das Feld des PMSM stammt von Permanentmagneten, er läuft synchron mit höherem Wirkungsgrad und höherer Leistungsdichte. Dem stehen Magnetkosten, ein zum Anlauf und zur Regelung nötiger Umrichter und ein begrenzter Feldschwächbereich gegenüber.

Synchronmotor-Simulator (PMSM)

Was ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM)?

Funktionsprinzip

Ein Permanentmagnet-Synchronmotor trägt Magnete auf oder im Läufer und eine verteilte Drehstromwicklung im Stator. Der Statorstrom erzeugt ein umlaufendes Magnetfeld, an das sich die Läufermagnete koppeln und dem sie exakt folgen. Anders als beim Asynchronmotor gibt es keinen Schlupf: Die Welle läuft genau mit Synchrondrehzahl, bestimmt allein durch Frequenz und Polzahl — unabhängig von der Last, bis zu dem Punkt, an dem der Motor außer Tritt fällt.

Lastwinkel und Kippmoment

Das Moment einer Synchronmaschine entsteht aus dem Winkelversatz zwischen Statorfeld und Läufermagneten, dem Lastwinkel. Mit steigender Last fällt der Läufer etwas weiter hinter das Feld zurück, der Lastwinkel wächst und das Moment mit ihm. Das Maximum liegt bei 90 elektrischen Grad; dieser Wert ist das Kippmoment. Wird mehr verlangt, fällt der Läufer außer Tritt, das Moment bricht zusammen, und die Maschine bleibt stehen, statt sanft langsamer zu werden.

Feldschwächung oberhalb der Eckdrehzahl

Unterhalb der Nennfrequenz hält der Umrichter ein konstantes Spannungs-Frequenz-Verhältnis, sodass der Luftspaltfluss und damit das verfügbare Moment konstant bleiben. Ist die Umrichterspannung ausgereizt, muss der Fluss mit steigender Frequenz sinken. Dieser Feldschwächbereich liefert höhere Drehzahl bei geringerem Moment — genau das Konstantleistungsverhalten, das ein Traktionsantrieb braucht. Im Simulator schrumpft das Kippmoment, sobald die Frequenz über den Typenschildwert steigt.

PMSM im Vergleich zum BLDC und Anwendungen

PMSM und BLDC sind mechanisch sehr ähnlich; der Unterschied liegt in der Form der Gegen-EMK und in der Ansteuerstrategie. Der PMSM hat eine sinusförmige Gegen-EMK und wird unter feldorientierter Regelung mit sinusförmigem Strom gespeist, was sehr geringe Momentwelligkeit und leisen Lauf ergibt. Deshalb ist er die Maschine der Wahl für Elektrofahrzeug-Antriebe, Servoachsen, Robotik, hocheffiziente Klimaverdichter und Aufzüge.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Lastwinkel eines Permanentmagnet-Synchronmotors?: Der Lastwinkel ist der Winkel zwischen der magnetischen Achse des Läufers und dem Statordrehfeld. Im Leerlauf ist er nahezu null und wächst mit dem Lastmoment; das Moment ist ungefähr proportional zu seinem Sinus. Das Maximum bei etwa 90° ist das Kippmoment, darüber fällt der Läufer außer Tritt. Der Simulator zeigt den Lastwinkel bei steigender Last.
Warum läuft ein PMSM genau mit Synchrondrehzahl?: Die Läufermagnete rasten am Drehfeld des Stators ein, der Läufer dreht daher mit der Feldgeschwindigkeit ns = 120 × f / P min⁻¹, ohne Schlupf. Eine Laständerung verändert den Lastwinkel, nicht die Drehzahl. Zur Drehzahländerung ändert man die Speisefrequenz, weshalb ein PMSM am Umrichter betrieben wird.
Was ist der Unterschied zwischen einem PMSM und einem Asynchronmotor?: Der Asynchronmotor erzeugt sein Läuferfeld durch Induktion, braucht daher Schlupf und hat Kupferverluste im Läufer. Das Feld des PMSM stammt von Permanentmagneten, er läuft synchron mit höherem Wirkungsgrad und höherer Leistungsdichte. Dem stehen Magnetkosten, ein zum Anlauf und zur Regelung nötiger Umrichter und ein begrenzter Feldschwächbereich gegenüber.

Permanentmagnet-Synchronmotor