Permanentmagnet-Synchronmotoren finden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer Leistungsdichte und ihrer präzisen Steuerung breite Anwendung in der Industrie. Dieser Blog erklärt Aufbau und Funktionsweise des PMSM-Motors sowie seine Vorteile und Anwendungen.

Aufbau eines Permanentmagnet-Synchronmotors

PMSM-Motoren bestehen wie andere Elektromotoren aus zwei Hauptkomponenten:

Der Stator: Die äußere, stationäre Einheit trägt die Dreiphasenwicklungen, die das Magnetfeld des Rotors erzeugen. Diese sind häufig sinusförmig angeordnet, um eine gleichmäßige und sinusförmige Flussdichte zu erzielen. Die Statorwicklungen des Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM) sind so konstruiert, dass sie eine gute Wärmeableitung ermöglichen.

Rotor: Der Innenrotor ist mit Permanentmagneten bestückt, die aufgrund ihrer hohen magnetischen Stärke üblicherweise aus Seltenerdmaterialien wie Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) bestehen. Die Magnete sind an den Stellen des Rotors aufgeklebt, an denen sie mit dem vom Stator erzeugten rotierenden Magnetfeld interagieren.

PMSM-Rotorkonfigurationen

Die PMSM-Motoren können anhand der Anordnung der Magnete im Rotor klassifiziert werden:

Oberflächenmontierte Permanentmagnete (SPM): Die Magnete sind auf der Rotoroberfläche montiert. Diese Bauweise bietet den Vorteil einer geringeren Komplexität und damit einer höheren Luftspaltflussdichte, was zu einem höheren Drehmoment führt. Bei hohen Drehzahlen benötigen SPM-Motoren jedoch zusätzliche Schutzhülsen für die Magnete. Ein SPM-Motor benötigt zum Schutz der Permanentmagnete eine Hülse aus hochfestem Material außerhalb des Motors.

Innenliegende Permanentmagnete: Die Magnete sind im Rotorkern eingebettet. Diese Bauweise ermöglicht eine höhere mechanische Stabilität, höhere Betriebsdrehzahlen und ein höheres Luftspaltdrehmoment. Durch die Anordnung der Magnete im Rotor entstehen mehrere magnetische Flussbarrieren, die die Leitfähigkeit erhöhen und ein höheres Überlastdrehmoment in einem breiten Drehzahlbereich ermöglichen. IPM-Motoren werden aufgrund ihrer robusten Rotorkonstruktion und der Fähigkeit, höhere Fliehkräfte aufzunehmen, häufig in Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt. Bei einem IPM-Motor sind die Permanentmagnete im Rotorkern eingebettet.

Funktionsprinzip des PMSM-Motors

Das Funktionsprinzip von PMSM-Motoren basiert auf der Wechselwirkung der Magnetfelder:

1. Drehfeld: Der dreiphasige Wechselstrom in den Statorwicklungen erzeugt ein Drehfeld im Luftspalt zwischen Stator und Rotor.

2. Magnetische Anziehung und Abstoßung: Die am Rotor angebrachten Permanentmagnete erzeugen ein konstantes Magnetfeld. Dieses interagiert mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators und erzeugt so Anziehungs- und Abstoßungskräfte.

3. Synchronrotation: Das Magnetfeld des Rotors richtet sich aufgrund der magnetischen Anziehung und Abstoßung durch die Rotation des Magnetfelds im Stator aus. Diese ständige Ausrichtung bewirkt, dass sich der Rotor synchron mit der vom Stator erzeugten Rotation im Magnetfeld dreht. Die Drehzahl hängt direkt von der Frequenz der Wechselstromversorgung und der Polzahl des Motors ab.

Steuerung von PMSM-Motoren

Zu den fortschrittlichen Steuerungsmethoden, die häufig in PMSM-Motoren für Anwendungen verwendet werden, die eine präzise Drehzahl- und Drehmomentregelung erfordern, gehören die folgenden:

Feldorientierte Regelung (FOC) : Dieses weit verbreitete Verfahren bietet hervorragende dynamische Eigenschaften und gewährleistet gleichzeitig eine präzise Steuerung von Motordrehzahl und Drehmoment. Das Prinzip beruht auf der Umwandlung der dreiphasigen Statorströme in zwei orthogonale Komponenten: eine für den magnetischen Fluss und eine für das Drehmoment. FOC ermöglicht die unabhängige Steuerung dieser Komponenten und somit die vollständige Kontrolle des Motorbetriebs.

Trapezregelung: Die Trapezregelung, auch Sechs-Stufen-Kommutierung genannt, nutzt ein einfacheres Regelungsverfahren. Sie basiert auf Rechteckspannungsimpulsen, die an die Statorwicklungen angelegt werden. Obwohl sie nicht ganz so ausgefeilt ist, reicht sie für Anwendungen mit geringeren Präzisionsanforderungen aus. Die Trapezregelung wird in BLDC-Motoren eingesetzt.

PMSM-Motoren – Vorteile

Das Funktionsprinzip des PMSM-Motors bringt einige Vorteile mit sich:

Hoher Wirkungsgrad: Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) zeichnen sich durch geringe Rotorverluste und einen hohen Wirkungsgrad aus. Da PMSM-Motoren keine Rotorwicklungen besitzen, entfallen die Kupferverluste im Rotor, wodurch sie deutlich effizienter als Induktionsmotoren sind. Zudem weisen sie vernachlässigbare Rotorverluste auf, was bedeutet, dass keine Wärmeverluste entstehen.

Hohe Leistungsdichte: Die starken Permanentmagnete in PMSM-Motoren ermöglichen ein hohes Drehmoment bei kompakten Abmessungen und gewährleisten ein hohes Leistungsgewicht. Aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte eignen sich PMSM-Motoren besonders für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf im kleinen Maßstab.

Präzise Regelung : Fortschrittliche Regelungstechniken wie FOC ermöglichen eine hochpräzise Drehzahl- und Drehmomentregelung. Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) finden Anwendung in Bereichen, die hohe Genauigkeit und dynamisches Ansprechverhalten erfordern, beispielsweise in industriellen Servoanwendungen.

Breiter Drehzahlbereich: PMSM-Motoren können in einem breiten Drehzahlbereich betrieben werden.

Geräuscharm und vibrationsarm: Die sinusförmige Gegen-EMK-Wellenform und präzise Steuerungstechniken sorgen für einen ruhigen und leisen Betrieb. Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) sind leiser als bürstenlose Gleichstrommotoren.

Hohe Zuverlässigkeit: Da keine Bürsten, Kommutatoren und ähnliche Bauteile verbaut sind, wird der Verschleiß des Motors minimiert, was seine Lebensdauer und Zuverlässigkeit erhöht.

Anwendungen von PMSM-Motoren

PMSM-Motoren werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften geschätzt, die ihren Einsatz in verschiedenen Bereichen ermöglichen. In der industriellen Automatisierung überzeugen sie dank ihrer präzisen Steuerung und ihres dynamischen Ansprechverhaltens in der Robotik, im Werkzeugmaschinenbau und in Servosystemen. Erneuerbare Energiesysteme wie Windkraftanlagen und Kraftwerke profitieren von der effizienten Stromerzeugung durch PMSMs. Die Luft- und Raumfahrtindustrie nutzt ihre hohe Leistungsdichte und leichte Bauweise, während HLK-Systeme sie aufgrund ihrer Effizienz und ihres leisen Betriebs in Lüftern, Pumpen und Kompressoren einsetzen.

Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) werden auch in der Unterhaltungselektronik für ähnliche Anwendungen wie Lüfter und Pumpen eingesetzt. Darüber hinaus finden sie Verwendung in Hochgeschwindigkeits-Synchronmotoren, Förderbändern, Kugelmühlen, Kläranlagen , Ölfeldern, Textilmaschinen, Luftkompressoren, der Kabelherstellung und Kunststoffextrudern, was ihre Vielseitigkeit und Unverzichtbarkeit in unterschiedlichsten Branchen unterstreicht.

ENNENG: Führend bei PMSM-Lösungen

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