Synchron-Reluktanzmotor

Schnitt durch einen 4-poligen Synchron-Reluktanz-Motor

Ein Synchron-Reluktanzmotor (kurz SRM oder SynRM) ist eine Drehstrom-Synchronmaschine mit einem Rotor (Läufer), der entweder einen sog. Flusssperrenschnitt oder ausgeprägte Pole aufweist. Der Stator (Ständer) des Synchron-Reluktanzmotors weist, wie bei anderen Drehstrommaschinen, drei räumlich um je 120° versetzte Spulen auf, die von dreiphasiger Wechselspannung gespeist werden. In diesem vom Ständer erzeugten Drehfeld weist der Rotor aufgrund längs des Umfangs unterschiedlicher magnetischer Leitfähigkeit Vorzugsrichtungen auf. Das Drehmoment wird bei diesem Motor aufgrund der Reluktanzkraft durch die Vorzugsrichtungen hervorgerufen, und nicht, wie bei anderen elektrischen Maschinen, infolge der Lorentzkraft.

Der Rotor dreht sich, wie bei allen Synchronmotoren, synchron mit dem Drehfeld des speisenden Spannungsnetzes. Die Drehzahl ist über die Polpaarzahl mit der Frequenz der Wechselspannung verknüpft. In der Praxis sind Synchron-Reluktanzmotoren meistens 4-polig ausgeführt.

Historie

Das Prinzip des Reluktanzmotors mit der Anisotropie der magnetischen Leitfähigkeit im Läufer ist lange bekannt. Bereits 1923 veröffentlichte Jaroslaw K. Kostko einen entsprechenden Artikel^[1]. Verschiedene Hersteller bieten Reluktanzmotoren zum Betrieb direkt am Netz an. Der Läufer hat meist eine Kurzschluss-Anlaufwicklung zum asynchronen Selbstanlauf. Dieser Motortyp findet aber nur in Nischen, z. B. in der Textilindustrie, Anwendung. 1998 gelang Vagati die Optimierung der Rotorgeometrie in einer Weise, dass Drehmomentwelligkeit und Geräuschemission systematisch deutlich reduziert sind.

Aufbau und Arbeitsweise

Üblicherweise hat der Stator (Ständer) eines Synchron-Reluktanzmotors den gleichen Aufbau wie der eines handelsüblichen Asynchronmotors mit verteilten Wicklungen. Der Rotor (Läufer) ist zur Vermeidung von Wirbelströmen als Blechpaket aus Elektroblechen ausgeführt. Dieses weist eine besondere Blechschnittgeometrie mit Flussleit- und Flusssperrabschnitten auf. Die in den Ständernuten verteilte Wicklung erzeugt bei Speisung mit Drehstrom ein im Luftspalt des Motors umlaufendes Drehfeld. Bei Speisung über einen Frequenzumrichter lässt sich die Drehzahl von Null bis zur Betriebsdrehzahl hochführen und während des Betriebs verstellen. Über eine geeignete Rotorlageregelung im Frequenzumrichter wird sichergestellt, dass insbesondere bei Lastwechseln der Rotor nicht außer Tritt fällt. Bei Synchron-Reluktanzmotoren, die am starren Netz betrieben werden sollen, ist der Rotor häufig mit einem Läuferkäfig (ähnlich denen von Käfigläufer-Asynchronmaschinen) ausgeführt. Dieser ermöglicht einen asynchronen Anlauf am Netz. Sobald sich die Drehzahl des Rotors der synchronen Drehzahl annähert, überwiegt das Reluktanzmoment, so dass sich der Läufer synchronisieren („in Tritt“ fallen) und dem umlaufenden Drehfeld folgen kann.

Blechschnitt eines 4-poligen Synchron-Reluktanzmotors gemäß US-Patent von Vagati^[2]

In der magnetischen Vorzugsrichtung (d-Richtung) tritt ein geringer magnetischer Widerstand auf und der magnetische Fluss wird im Eisen gut geführt. In einem 45°-Winkel dazu (q-Richtung) behindern die Luftsperren den magnetischen Fluss. Wird die Ständerwicklung bestromt, entstehen im Läufer Pole und Lücken. Folgt der Rotor synchron dem Statorfeld, sind seine Pole quasi über eine Feder (vgl. Federmodell im Artikel Polrad) mit den Polen des Drehfeldes verbunden. Bei Belastung bleibt der Läufer etwas zurück und es entsteht ein Polradwinkel, der bei Entlastung wieder verschwindet. Äquivalent eilt der Rotor im generatorischen Betrieb dem Statorfeld voraus. Die d- und q-Richtung des Läufers entsprechen den jeweiligen Achsen des durch die D/q-Transformation definierten Koordinatensystems. Über die D/q-Transformation können mittels der Statorströme die d- und q-Komponenten im Rotor bestimmt werden.

Drehmomenterzeugung

Im Bild auf der rechten Seite ist das Prinzip der Drehmomententstehung genauer gezeigt. Befindet sich ein Streifen Eisenblech in einem Magnetfeld, so versucht es sich in Richtung der Feldlinien zu drehen und eine energetisch möglichst günstige Position parallel zu den Feldlinien einzunehmen. Dreht man es aus dieser Position heraus, entsteht ein Drehmoment M. Gleiches passiert im Motor. Bei Belastung im Motorbetrieb bleibt das Polrad kurzzeitig etwas hinter dem umlaufenden Drehfeld zurück und es entsteht der belastungsabhängige Polradwinkel δ (delta). Ist die Belastung zu groß, fällt der Motor "außer Tritt" und bleibt stehen.

Drehmoment

Das Drehmoment M des Synchron-Reluktanzmotors lässt sich aus den Motordaten berechnen. Man erhält es zu:

${\displaystyle M=k\left[{\frac {1}{L_{q}}}-{\frac {1}{L_{d}}}\right]\Psi ^{2}\sin 2\delta }$

mit der Motorkonstante k, den Induktivitäten in q- und d-Richtung L_q und L_d, dem magnetischen Fluss Ψ und dem Polradwinkel δ. Die Formel zeigt, dass das Verhältnis L_d/L_q möglichst groß sein muss, um ein großes Drehmoment M zu erhalten.

Je besser also die Flussführungen in der d-Achse arbeiten und je stärker der Fluss in der q-Achse behindert wird, desto größer ist das Motordrehmoment.

Vor- und Nachteile

Aufgrund der Massenträgheit des Rotors und der unbedingten synchronen Betriebsweise kann der Synchron-Reluktanzmotor (ohne Dämpferkäfig) nur mit einem Frequenzumrichter betrieben werden. Mit moderner Regelungstechnik ist die Drehzahlregelung heute auch ohne Resolver (Rotorlagegeber) möglich. Ein Nachteil sind somit die um die Kosten des Umrichters erhöhten Investitionskosten. Die Ausfallwahrscheinlichkeit ist aufgrund des robusten Aufbaus gegenüber einer geregelten Asynchronmaschine nicht erhöht. Beim Synchron-Reluktanz-Motor treten nahezu keine Verluste im Läufer auf. Dadurch hat er einen besseren Wirkungsgrad als herkömmliche Asynchronmotoren und aus diesem Grund auch eine geringere Wärmeentwicklung. Die Wicklungsverluste im Ständer sind wegen des höheren Magnetisierungsanteils im Ständer etwas höher. Durch die in Summe geringeren Verluste ist mit dem Motor die internationale Effizienzklasse IE4 bis IE5 erreichbar, deren genauer Verlauf über der Nennleistung im CD (Committee Draft) der IEC 60034-30 Ed. 2 festgelegt ist. Durch diese Eigenschaft haben Synchron-Reluktanzmotoren seit etwa 2009 erneut Bedeutung bei der Anwendung in sogenanntem Rotating Equipment (Pumpen, Lüfter, Kompressoren und Turbinen) erlangt. Bei der Herstellung ist gegenüber permanentmagneterregten Synchronmotoren vorteilhaft, dass keine Magnetwerkstoffe auf Basis seltener Erden Verwendung finden, die von der europäischen Kommission 14 im Rahmen ihrer „Rohstoffinitiative“ als besonders „kritische Metalle“ eingestuft wurden^[3].

Literatur

• Peter F. Brosch: In: Zeitschrift Elektrotechnik- Ausg. Juni 2011, S. 36ff.
• T. A. Lipo: Synchronous Reluctance Machines-A Viable Alternative for AC Drives? In: Electric Machines & Power Systems. Band 19, Nr. 6, 1991, S. 659–671, doi:10.1080/07313569108909556. 
• T.J.E. Miller, A. Hutton, C. Cossar, D.A. Staton: Design of a synchronous reluctance motor drive. In: IEEE Transactions on Industry Applications. Band 27, Nr. 4, August 1991, S. 741–749, doi:10.1109/28.85491. 
• I. Boldea, L. Tutelea, C.I. Pitic: PM-assisted reluctance synchronous motor/generator (PM-RSM) for mild hybrid vehicles: electromagnetic design. In: IEEE Transactions on Industry Applications. Band 40, Nr. 2, April 2004, S. 492–498, doi:10.1109/TIA.2004.824434. 
• M.-I. Lamghari-Jamal, J. Fouladgar, E.-H. Zaim, D. Trichet: A magneto-thermal study of a high-speed synchronous reluctance machine. In: IEEE Transactions on Magnetics. Band 42, Nr. 4, April 2006, S. 1271–1274, doi:10.1109/TMAG.2006.871956. 
• T.A. Lipo, P. C. Krause, “Stability analysis of a reluctance synchronous machine,” IEEE Trans. Power Appl. Syst., Bd. PAS-86, Nr. 7, S. 825–834, Jul. 1967
• A.J.O. Cruickshank, R.W. Menzies, A.F. Anderson: Axially laminated anisotropic rotors for reluctance motors. In: Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. Band 113, Nr. 12, Dezember 1966, S. 2058–2060, doi:10.1049/piee.1966.0358. 
• D. Platt: Reluctance motor with strong rotor anisotropy. In: IEEE Transactions on Industry Applications. Band 28, Nr. 3, Juni 1992, S. 652–658, doi:10.1109/28.137453. 
• HH. Hofmann, S.R. Sanders: High-speed synchronous reluctance machine with minimized rotor losses. In: IEEE Transactions on Industry Applications. Band 36, Nr. 2, April 2000, S. 531–539, doi:10.1109/28.833771. 
• Patent FI118940B1: Rotor for electric machine. Veröffentlicht am 15. Mai 2008, Erfinder: J. Kolehmainen.‌
• J. Kolehmainen, J. Ikaheimo: Motors With Buried Magnets for Medium-Speed Applications. In: IEEE Transactions on Energy Conversion. Band 23, Nr. 1, März 2008, S. 86–91, doi:10.1109/TEC.2007.914331. 
• J. Kolehmainen: Machine with a rotor structure supported only by buried magnets. In: Andrzej Krawczyk, Sławomir Wiak, Ivo Doležel (Hrsg.): Advanced Computer Techniques in Applied Electromagnetics. IOS Press, 2008, ISBN 978-1-58603-895-3, S. 240–246, doi:10.3233/978-1-58603-895-3-240 (Vortrag auf dem Int. Symp. Electromag. Fields Elect. Eng. (ISEF), Prague, Czech Republic, Sept. 2007). 
• X.B. Bomela, M.J. Kamper: Effect of stator chording and rotor skewing on average torque and torque ripple of reluctance synchronous machine. In: 1999 IEEE Africon. Band 2, 1999, S. 687–690, doi:10.1109/AFRCON.1999.821849. 

Einzelnachweise

1. ↑ J. K. Kostko: Polyphase reaction synchronous motors. In: Journal AIEE. Band 42, 1923, S. 1162–1168. 
2. ↑ Patent US5818140: Synchronous reluctance electrical motor having a low torque ripple design. Veröffentlicht am 6. Oktober 1998, Erfinder: A. Vagati.‌
3. ↑ Hintergrundpapier Seltene Erden, Stand Januar 2011, Öko-Institut e.V., Büro Berlin, Schicklerstraße 5–7, 10179 Berlin