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.