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:

Stator: Die Außenseite ist stationär und trägt dreiphasige Wicklungen, die das Rotormagnetfeld aufbauen. Diese sind oft sinusförmig angeordnet, um eine gleichmäßige und sinusförmige Flussdichte zu erzielen. Die Statorwicklungen des PMSM sind so ausgelegt, dass sie eine gute Wärmeableitung ermöglichen.

Rotor: Der Innenrotor ist mit Permanentmagneten ausgestattet, die aufgrund ihrer hohen magnetischen Stärke normalerweise aus Seltenerdmaterialien wie Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) bestehen. Die Magnete werden an den Stellen auf den Rotor geklebt, an denen sie mit einem vom Stator erzeugten rotierenden Magnetfeld interagieren.

PMSM-Rotorkonfigurationen

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

Oberflächenmontiertes PM (SPM): Die Magnete sind auf der Rotoroberfläche montiert. Diese Konstruktion hat den Vorteil einer geringeren Komplexität und damit einer höheren Luftspaltflussdichte, was zu einem höheren Drehmoment führt. Bei hohen Drehzahlen benötigen SPM-Motoren jedoch zusätzliche Strukturhülsen, um die Magnete zu halten. Ein SPM-Motor benötigt zum Schutz eine Hülse aus hochfestem Material außerhalb des PM.

Innenraum-PM: Die Magnete sind im Rotorkern vergraben. In einer solchen Konfiguration können eine bessere mechanische Stabilität, höhere Betriebsgeschwindigkeiten und ein höheres Luftspaltdrehmoment erreicht werden. Durch die Platzierung der Magnete im Rotor entstehen mehrere Flussbarrieren, die die Ausprägung erhöhen und ein größeres Überlastdrehmoment in einem weiten Geschwindigkeitsbereich ermöglichen. Der Grund, warum IPM-Motoren bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen sehr oft bevorzugt werden, liegt an ihrer robusten Rotorkonstruktion und der Möglichkeit, höhere Zentrifugalkräfte auszuhalten. Bei einem IPM-Motor sind die Permanentmagnete im Rotorkern vergraben.

Funktionsprinzip des PMSM-Motors

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

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

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

3. Synchrone Rotation: Das Magnetfeld des Rotors richtet sich durch magnetische Anziehung und Abstoßung aufgrund der Rotation des Magnetfelds am Stator aus. Diese konstante Ausrichtung bewirkt, dass sich der Rotor im Gleichtakt mit der durch den Stator erzeugten Rotation des Magnetfelds dreht. Die Rotationsgeschwindigkeit hängt direkt von der Frequenz der Wechselstromversorgung und der Anzahl der Pole im Motor 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 Steuerung (FOC):Es handelt sich um eine weit verbreitete Technik, die eine hervorragende dynamische Leistung bietet und gleichzeitig eine sehr präzise Steuerung der Motordrehzahl und des Drehmoments gewährleistet. Das Prinzip funktioniert, indem dreiphasige Statorströme in zwei orthogonale Komponenten umgewandelt werden: eine ist für den magnetischen Fluss und die andere für das Drehmoment verantwortlich. FOC ermöglicht die unabhängige Steuerung dieser Komponenten und gewährleistet so eine vollständige Kontrolle des Motorbetriebs.

Trapezsteuerung: Die Trapezsteuerung, die manchmal auch als Sechs-Schritt-Kommutierung bezeichnet wird, verwendet eine einfachere Art der Steuerung. Sie basiert auf Rechteckspannungsimpulsen, die an die Statorwicklungen angelegt werden. Sie ist zwar nicht ganz so ausgefeilt, reicht aber für Anwendungen aus, bei denen weniger hohe Präzision erforderlich ist. Die Trapezsteuerung wird in BLDC-Motoren verwendet.

PMSM-Motoren – Vorteile

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

Hohe Effizienz: PMSMs haben geringe Rotorverluste und einen höheren Wirkungsgrad. Das Fehlen von Rotorwicklungen in PMSM-Motoren eliminiert Rotorkupferverluste und macht sie daher viel effizienter als Induktionsmotoren. Sie haben außerdem einen vernachlässigbaren Rotorverlust, d. h. es gibt keinen Wärmeverlust.

Hohe Leistungsdichte: Die starken Permanentmagnete in PMSM-Motoren sorgen dafür, dass sie bei kompakten Abmessungen ein hohes Drehmoment abgeben und zudem ein hohes Leistungsgewicht gewährleisten. Die Tatsache, dass PMSM-Motoren eine höhere Leistungsdichte aufweisen, macht sie für die Leistungsdichte in Kleinanwendungen günstig.

Präzise Kontrolle: Es stehen erweiterte Steuerungstechniken wie FOC zur Verfügung, um eine hochpräzise Drehzahl- und Drehmomentregelung zu gewährleisten. PMSMs werden in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Genauigkeit und dynamische Reaktion erfordern, wie z. B. in industriellen Servoanwendungen.

Großer Geschwindigkeitsbereich: PMSM-Motoren können über einen weiten Drehzahlbereich laufen.

Geräuscharm und vibrationsarm: Die sinusförmige Gegen-EMK-Wellenform und die präzisen Steuerungstechniken sorgen für einen reibungslosen und leisen Betrieb. PMSMs sind leiser als bürstenlose Gleichstrommotoren.

Hohe Zuverlässigkeit: Ohne Bürsten, Kommutatoren und andere derartige Geräte 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.

PMSMs werden auch in der Unterhaltungselektronik für ähnliche Anwendungen eingesetzt, darunter Lüfter und Pumpen. Sie finden weitere Verwendung in Hochgeschwindigkeits-Synchronmotoren, Bandförderern, Kugelmühlen, Kläranlagen, Ölfelder, Textilausrüstung, Luftkompressoren, Kabelherstellung und Kunststoffextruder, und stellt ihre Vielseitigkeit und Unverzichtbarkeit in unterschiedlichsten Branchen unter Beweis.

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