Elektromotor

Drehstrommotor

Gleichstrommotor

Asynchronmotor

Synchronmotor

DC-Motor
mit
Permanentmagnet

DC-Motor
ohne
Permanentmagnet

Asynchronmotor
mit
Aluminiumrotor

Asynchronmotor
mit
Kupferrotor

PSM-Motor

FSM-Motor

I2SM-Motor

EC-Motor

IPMSM-Motor

Synchron- Reluktanzmotor

SRM-Motor

Welcher Motorentyp die bessere Wahl ist, hängt vom Betriebsbereich ab, in dem der Motor überwiegend betrieben wird. Permanente Synchronmotoren (PSM) sind bei niedrigen Drehzahlen und geringem Drehmoment deutlich effizienter ist als der schaltbare Reluktanzmotor (SRM) oder die Asynchronmaschinen (ASM). Beim Schleichen und Rangieren ist der PSM vom Vorteil. Im hohen Drehzahlbereich dominieren SRM, IPMSM und ASM-Antriebe. Bei Betriebsweise über den gesamten Drehzahlbereich fallen die Abweichungen trotz signifikanter Unterschiede allerdings gering aus.

Elektromotor

ASM (Al)

ASM (Cu)

PSM    

IPMSM    

FSM    

SRM    

Momentendichte

+/-

+/-

++

++

++

+

Wirkungsgrad

-

+/-

++

++

+

+/-

Masse

+

+

++

++

++

+

Stand der Technik

++

++

+

+

+

+/-

Wechselrichter

+

+

+/-

-

+/-

-

Motorkosten

+

+/-

+/-

+/-

+/-

+

Systemkosten

+/-

+/-

+/-

+/-

+

-

Geräuschentwicklung

+

+

++

+

+/-

-

Asynchronmotor

Der Drehstrom-Asynchronmotor ist der am meisten eingesetzte Antriebsmotor. Die Wirkungsweise basiert auf einem sogenannten Drehfeld, das von 120° versetzten dreiphasigen Wechselstrom (=Drehstrom) gespeist wird. Das Drehfeld, dessen Wicklungen stets am Ständer des Motors angebracht sind (Stator), induziert eine Spannung im Läufer (Rotor).

Es wird zwischen Kurzschlussläufer und Schleifringläufer unterschieden. Kurzschlussläufer sind einfach im Aufbau, preisgünstig und praktisch wartungsfrei. Sie werden für Leistungen von 0,18 kW bis 710 kW gebaut. Der Stator besteht aus lamellierten Blechpaketen, in welche die Wicklung eingelassen ist. Auch der Rotor besteht aus dünnschichtigen, isolierten Eisenblechen mit Nuten, in die stirnseitig kurzgeschlossene Aluminiumstäbe eingelegt sind. Die Energieübertragung zwischen Stator und Rotor erfolgt durch magnetische Kopplung des umlaufenden Drehfeldes. Kurzschlussläufer werden als Einfachkäfigläufer, Doppelkäfigläufer und Strömverdrängungsläufer konstruiert. Letztere werden als Tiefnut- und Keilnutläufer gebaut.

Stromverdrängungsläufer besitzen bei erhöhtem Anzugsmoment einen kleineren Anzugsstrom, bei Nennlast aber einen geringeren Wirkungsgrad und schlechteren Leistungsfaktor als Rundstabläufer. Schleifringläufer besitzen anstelle eines Käfigrotors einen in Sternschaltung gewickelten Rotor, dessen Wicklungsanfänge auf Schleifringe geführt sind. Durch einen Bürstensatz werden die Schleifringe abgegriffen und mit einem Anlasserwiderstand verbunden, welcher schrittweise kurzgeschlossen wird. Am Ende des Hochlaufs werden auch die Schleifringe kurzgeschlossen, so dass der Motor wie ein gewöhnlicher Kurzschlussläufer funktioniert. Anwendung finden Schleifringläufer dort, wo grosse Lasten aus dem Stand angefahren werden (z.B. Hebeanlagen, Zentrifugen usw.).

Verwendung findet der Asynchronmotor auch als Variante bei Elektroautos. Der Antrieb ist sehr robust, etwas simpler als andere Elektromotore und kommt ohne aufwändige Regelung und teure Permanentmagnete aus. Im Gegenzug mangelt es dem ASM jedoch an Effizienz. Zudem ist er vergleichsweise schwer und laut. Der große Vorteil beim Asynchronmotor ist seine einfache Deaktivierung des Antriebes. Wird der Strom abgeschaltet, läuft der Motor im Freilauf mit und verbraucht dabei keine Energie. Dies ermöglicht gleichmäßiges Segeln auf Langstrecken. Jedoch kann der ASM nicht wie der PSM als Dynamo wirken, der permanant rekuperiert. Ein weiterer Vorteil des ASM bei E-Autos ist der mögliche Boost-Effekt. Der Asynchronmotor kann kurzzeitig mit Überlast arbeiten und sorgt so für mehr Sportlichkeit.

Vorteile:

Typenschild von Asynchronmotoren

Motorenhersteller

VDE 530

Drehstrommotor

Typ

No.

Leistung

ISO-Klasse

S-Klasse

IP

IEC

Effizienzklasse

Wirkungsgrad

Strom

cos phi

Drehzahl

Spannung

Frequenz

Nach der Ökodesign-Richtlinie sind seit 16. Juni 2011 bei Drehstrommotoren auf oder nahe dem Leistungsschild die Nenneffizienz sowie die Energieeffizienzklasse anzugeben.

Auswahl eines Elektromotors

Um einen Elektromotor richtig zu betreiben, sind eine Reihe von Bedingungen einzuhalten. Unter anderem sind dies Spannungsauswahl und Auswahl der Stromart, Netzbelastbarkeit, Anlassverfahren wie auch Wirtschaftlichkeit. Die Auswahl des Motors erfordert neben den elektrischen Anschlussdaten unbedingt die Anforderungen der angetriebenen Arbeitsmaschine zu beachten. Hierzu zählen Einflussfaktoren wie Leistungsbedarf, Drehzahl, Lastmoment, Betriebsart, Schalthäufigkeit, Anlaufart, Aufstellungsort, Betriebslage, Kraftübertragung usw.

Anlaufarten für Asynchronmotore

Direktstart

Stern-Dreieck-Anlauf

Softstart

Drehzahlstart

Frequenzumrichter

Motorschutz für Drehstrommotore

Um eine Beschädigung des Isoliersystems des Motors zu vermeiden, werden fast alle Motore vor zu hohen Temperaturen geschützt. Bei der Auswahl des Temperaturschutzes sind die Art des Übertemperaturschutzes, Bauweise und Leistungsaufnahme des Motors zu berücksichtigen. Der Motorschutz sollte ansprechen auf allmähliche Überlastung, lange Anlaufzeiten, verringerte oder fehlende Kühlung, erhöhte Umgebungstemperatur, häufiges Ein- und Ausschalten sowie Frequenz- und Spannungsschwankungen. Zudem sollte der Motorschutz einen Temperaturanstieg bei einem blockierten Rotor und bei Phasenausfall bemerken und den Motor durch Abschaltung schützen. Den Drehstrommotor vor Überlastung bewahren der Leistungsschalter, eine Vorsicherung mit Thermorelais oder der Thermistor,

drehzahlabhängige Lastmomente bei Asynchronmotoren

Treibt ein Motor eine Arbeitsmaschine an, so wird er durch diese belastet. Dem Drehmoment des Motors wirkt das Lastmoment des Antriebs entgegen. Zum sicheren Anlauf ist ein höheres Motordrehmoment gegenüber dem Lastmoment erforderlich, d. h. der Motor benötigt ein Beschleunigungsmoment. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, ist das Lastmoment der Arbeitsmaschine in Abhängigkeit von der Motordrehzahl nach der Momentenkennlinie zu berücksichtigen. Übersteigt das Lastmoment das Drehmoment des Motors, so kann entweder ein Hochlauf nicht möglich sein, oder ein Schweranlauf im Bereich des Sattelmomentes erreicht nicht das erforderliche Drehmoment. Beides führt zur thermischen Überlastung des Elektromotor durch eine hohe Stromaufnahme. Um dem Entgegenzuwirken ist der Arbeitsbereich drehzahlbezogen nach der Momentenkennlinie auszuwählen.

Stromaufnahme von Drehstrom-Motoren

Genaue Werte nur durch Nachmessen am belasteten Motor.

Leistung	Nennspannung	Nenndrehzahl
Auswahl 0,125 kW 0,185 kW 0,25 kW 0,37 kW 0,55 kW 0,8 kW 1,1 kW 1,5 kW 2,2 kW 3,0 kW 4,0 kW 5,5 kW 7,4 kW 11 kW	230 V                 400 V	1000 U/min       1500 U/min   3000 U/min

 Stromaufnahme:  Vorsicherung:

Bei Motorschutzschalter mit thermischer Überstromauslösung und magnetischer Kurzschluss-Auslösung sind Vorsicherungen für einen ausreichenden Motorschutz nicht erforderlich. Ausnahme: Der prospektive Kurzschlussstrom an der Einbaustelle des Motorschutzschalters ist größer als 10 kA bei 3 x 220 V oder 6 kA bei 3 x 400 V.

Stromaufnahme von Wechselstrom-Motoren

Genaue Werte nur durch Nachmessen am belasteten Motor.

Leistung	Nennspannung	Nenndrehzahl
Auswahl 0,125 kW 0,185 kW 0,25 kW 0,37 kW 0,55 kW 0,8 kW 1,1 kW 1,5 kW 2,2 kW 3,0 kW 4,0 kW	125 V AC                 230 V AC	1500 U/min       3000 U/min

 Stromaufnahme:  Vorsicherung:

Bei Motorschutzschalter mit thermischer Überstromauslösung und magnetischer Kurzschluss-Auslösung sind Vorsicherungen für einen ausreichenden Motorschutz nicht erforderlich. Ausnahme: Der prospektive Kurzschlussstrom an der Einbaustelle des Motorschutzschalters ist größer als 10 kA bei 3 x 220 V oder 6 kA bei 3 x 400 V.

Leistungsberechnung bei Drehstrommotoren

Die auf dem Typenschild angegebene Nennleistung eines Drehstrom-Asynchronmotors, ist die abgegebene Leistung an der Welle. Dem entsprechend ist die aufgenommene Leistung höher, da Verluste im Motor selbst auftreten. Die angegebene Leistung muss durch den Wirkungsgrad geteilt werden, um die aufgenommene Leistung zu berechnen. Die aufgenommene Leistung lässt sich auch aus der Spannung, dem Strom und dem Cosinus φ errechnen. Diese Werte sind dem Typenschild zu entnehmen. Der Wirkungsgrad der Leistung bezieht sich auf die Nennlast und wird bei niedrigerer Abgabeleistung noch schlechter.

P_zu=U*I*1.732*cos φ


   η = P_ab : P_zu


S    = U * I

Bitte achten Sie auf die Eingabe von Kommawerten. Diese erfolgt hier aufgrund Javascript mit Punkt anstatt Komma.

Bemessungsleistungen von Drehstrom-Normmotoren

IEC

3000/min

1500/min

1000/min

750/min

56

0,09 kW

0,12 kW

0,06 kW

0,09 kW

63

0,18 kW

0,25 kW

0,12 kW

0,18 kW

71

0,37 kW

0,55 kW

0,25 kW

0,37 kW

80

0,75 kW

1,1 kW

0,55 kW

0,75 kW

0,37 kW

0,55 kW

90

1,5 kW

2,2 kW

1,1 kW

1,5 kW

0,75 kW

1,1 kW

100

3 kW

2,2 kW

3 kW

1,5 kW

0,75 kW

1,1 kW

112

4 kW

4 kW

2,2 kW

1,5 kW

132S

5,5 kW

7,5 kW

5,5 kW

3 kW

2,2 kW

132M

7,5 kW

4 kW

5,5 kW

3 kW

160M

11 kW

15 kW

11 kW

7,5 kW

4 kW

5,5 kW

160L

18,5 kW

15 kW

11 kW

7,5 kW

180M

22 kW

18,5 kW

180L

22 kW

15 kW

11 kW

200L

30 kW

37 kW

30 kW

18,5 kW

22 kW

15 kW

225S

37 kW

18,5 kW

225M

45 kW

45 kW

30 kW

22 kW

250M

55 kW

55 kW

37 kW

30 kW

280S

75 kW

75 kW

45 kW

37 kW

Drehzahlen der Drehstrommotoren

Polzahl

Drehzahl Synchron 50Hz

Drehzahl Volllast 50Hz

Drehzahl Synchron 60Hz

Drehzahl Volllast 60Hz

2

3000 U/min

ca. 2900 U/min

3600 U/min

ca. 3400 U/min

4

1500 U/min

ca. 1440 U/min

1800 U/min

ca. 1700 U/min

6

1000 U/min

ca. 960 U/min

1200 U/min

ca. 1150 U/min

8

750 U/min

ca. 720 U/min

900 U/min

ca. 800 U/min

10

600 U/min

ca. 580 U/min

720 U/min

ca. 700 U/min

12

500 U/min

ca. 480 U/min

600 U/min

ca. 580 U/min

16

375 U/min

ca. 360 U/min

450 U/min

ca. 430 U/min

Betriebsarten der Drehstrommotoren nach IEC 34

Die S-Klassen dienen der Bemessung und des Betriebsverhalten an elektrisch drehenden Maschinen. Je nach zeitlicher Folge und Dauer der Betriebszustände wird die entsprechende Betriebsart ausgewählt. Die thermische Belastung d. h. die Erwärmung des Motor wird maßgeblich von der jeweiligen Betriebsart bestimmt. Die meist angewendeten Betriebsarten sind Nennbetrieb, Dauerbetrieb, Kurzzeitbetrieb und Aussetzbetrieb. Unter Nennbetrieb versteht man den dauernden oder kurzzeitigen Betrieb mit den jeweiligen Bemessungsdaten. Beim Dauerbetrieb erfolgt die Betriebsdauer mindestens so lang bis der thermische Beharrungszustand erreicht wird. Die Abwärme wird im thermischen Gleichgewicht vollständig an die Umgebung abgegeben. Die Beharrungstemperatur darf die höchstzulässige Betriebstemperatur nach der Wärmeklasse nicht überschreiten. Im Kurzzeitbetrieb erfolgt die Strombelastungsdauer so kurz, dass der thermische Beharrungszustand nicht erreicht wird und die darauffolgende Ruhezeit genügend lang ist, um eine Abkühlung auf die Umgebungstemperatur zu erreichen. Der Aussetzbetrieb betrifft die Betriebsart, bei dem die Strombelastungsdauer so kurz ist, dass der thermische Beharrungszustand nicht erreicht wird, jedoch die nachfolgende Ruhezeit nicht genügend lang ist, um eine Abkühlung auf die Umgebungstemperatur zu erreichen.

Kennziffer

Bedeutung

S1

Dauerbetrieb

S2

Kurzzeitbetrieb

S3

Aussetzbetrieb ohne Einfluss des Anlaufvorganges

S4

Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges

S5

Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorganges und der elektrischen Bremsung

S6

Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung

S7

Ununterbrochener Betrieb mit Anlauf und elektrischer Bremsung

S8

Ununterbrochener Betrieb mit periodischer Drehzahländerung

S9

Ununterbrochener Betrieb mit nichtperiodischer Drehzahl- und Momentenänderung

Wärmeklassen der Drehstrommotoren nach IEC 34-1

Die für die Isolation der Wicklungen verwendeten Isolierstoffe sind gemäss EN60034 in Wärmeklassen eingeteilt. Erwärmung und Maximaltemperatur an den heißesten Punkten der Wicklung gemäß Wärmeklassen der Norm IEC 34-1

Erwärmung Delta T

Maximaltemperatur T max.
(bei Kühltemperatur 40°C)

Klasse Y

50 °C

90 °C

Klasse A

60 °C

105 °C

Klasse E

75 °C

120 °C

Klasse B

80 °C

130 °C

Klasse F

105 °C

155 °C

Klasse H

125 °C

180 °C

IP-SCHUTZARTEN

Berührungs-, Fremdkörper- und Wasserschutz für elektrische Betriebsmittel

Die erste Kennziffer hinter dem Kennbuchstaben IP kennzeichnet den Schutz gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Staub. Die zweite Kennziffer steht für den Schutz gegen das Eindringen von Wasser. Beispielsweise ist bei der Schutzart IP65 vollständiger Berührungsschutz, ein Schutz gegen Eindringen von Staub und der Schutz gegen Strahlwasser aus allen Richtungen gewährleistet. Wird eine Schutzart nicht angegeben, so schreibt man statt der Ziffer den Buchstaben X, z. B. X4.

1. Kennziffer

Schutzgrad

2. Kennziffer

Schutzgrad

0

Kein Schutz

0

Kein Schutz

1

Schutz gegen Eindringen von großen Fremdkörpern d>50mm. Kein Schutz bei absichtlichen Zugang

1

Schutz gegen tropfendes Wasser, das senkrecht fällt (Tropfwasser).

2

Schutz gegen mittelgroße Fremdkörper, d>12mm, Fernhalten von Fingern o. ä.

2

Schutz gegen schräg fallendes Wasser (Tropfwasser), 15° gegenüber normaler Betriebslage.

3

Schutz gegen kleine Fremdkörper, d>2,5mm, Fernhalten von Werkzeugen, Drähten u. ä.

3

Schutz gegen Sprühwasser, bis 60° zur Senkrechten.

4

Schutz gegen kornförmige Fremdkörper, d>1mm, Fernhalten von Werkzeugen, Drähten u. ä.

4

Schutz gegen Spritzwasser aus allen Richtungen.

5

Schutz gegen Staubablagerungen (staubgeschützt), vollständiger Berührungsschutz.

5

Schutz gegen Strahlwasser aus allen Richtungen.

6

Schutz gegen Eindringen von Staub (staubdicht), vollständiger Berührungsschutz.

6

Schutz gegen schwere See oder starken Wasserstrahl (Überflutungsschutz).

7

Schutz gegen Eintauchen in Wasser unter festgesetzten Druck- und Zeitbedingungen.

8

Schutz gegen dauerndes Untertauchen in Wasser

Leistungsfaktor cos φ

Der Leistungsfaktor ist der Quotient aus Wirkleistung P und Scheinleistung S. Mit dem cos phi werden die durch Blindleistung entstehenden Verluste beschrieben. Ist auf dem Typenschild des Motors nur der Wirkungsgrad angegeben, errechnet sich der Leistungsfaktor wie folgt: cos φ = P / (1.732 * η * U _N * I _N)
Gute Werte für den Leistungsfaktor liegen zwischen 0,85 und 0,95.

Betriebskondensatoren für Drehstrommotoren

Drehstrommotore können an Wechselstrom betrieben werden, wenn die Strangspannung der Netzspannung angepasst werden kann. Wenn kein Drehstromanschluss vorhanden ist, können Drehstrommotore mit Bemessungsleistung bis etwa 2 kW mit der Steinmetzschaltung betrieben werden. Die erforderliche Kondensatorkapazität ist von der Netzspannung, Netzfrequenz und der Motorleistung abhängig. Im 50Hz-Netz ist bei 230V je kW Motorleistung eine Kapazität von 70 µF und im 400V-Netz je kW Leistung eine Kapazität von 22 µF erforderlich.

Die nachfolgende Tabelle gibt Auskunft zur richtigen Auswahl des Kondensators.

Kapazität

Leistung

Drehzahl

Spannung

Baugröße

4 µF

0,12 kW

2800 U/min

400 V

63

5 µF

0,12 kW

1390 U/min

400 V

63

6 µF

0,18 kW

1390 U/min

400 V

63

10 µF

0,3 kW

2760 U/min

400 V

71

12 µF

0,5 kW

2790 U/min

400 V

71

12 µF

0,3 kW

1380 U/min

400 V

71

16 µF

0,55 kW

1380 U/min

400 V

80

20 µF

0,9 kW

2800 U/min

400 V

80

30 µF

1,1 kW

2740 U/min

400 V

90S

30 µF

0,9 kW

1370 U/min

400 V

90S

40 µF

1,7 kW

2700 U/min

400 V

90L

40 µF

1,25 kW

1380 U/min

400 V

90L

Baugrößen von Drehstrommotoren nach IEC 72

Die Baugrößen für umlaufende elektrische Maschinen werden in DIN EN 60034-7 bzw. in der VDE 0530 Teil 7 beschrieben. Für eine Baugröße kennzeichnend ist die Baulänge und die Achshöhe. Die Bezeichnungen S (short), M (middle) oder L (large) beziehen sich auf die Länge der Motoren. Die in der Baugröße angegebenen Ziffern sind kennzeichnend für die Achshöhe. Dies ist das Maß von der Aufspannebene (bei Fußmotoren) bis zur Wellenmitte in mm. Diese sind verbindlich nach der Normreihe R20 gestuft. Die Normreihe umfasst die Baugrößen 56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 132, 160, 180, 200, 225, 250, 280, 315, usw.

Bauformen der Drehstrommotoren

Motore mit Fußbefestigung

Abbildung

Code I

Code II

Erklärung

IM B3

IM 1001

waagrechte Lage, 2 Lagerschilder, mit Füßen

IM B6

IM 1051

waagrechte Lage, 2 Lagerschilder, mit Füßen, Wandbefestigung

IM B7

IM 1061

waagrechte Lage, 2 Lagerschilder, mit Füßen, Wandbefestigung

IM B8

IM 1071

waagrechte Lage, 2 Lagerschilder, mit Füßen, Deckenbefestigung

IM V5

IM 1011

senkrechte Lage, 2 Lagerschilder, mit Füßen, Wandbefestigung

IM V6

IM 1031

senkrechte Lage, 2 Lagerschilder, mit Füßen, Wandbefestigung

Motore mit Flanschbefestigung

Abbildung

Code I

Code II

Erklärung

IM B5

IM 3001

waagrechte Lage, 2 Lagerschilder, Flanschanbau

IM V1

IM 3011

senkrechte Lage, ohne Füße, 2 Lagerschilder, Flanschanbau unten

IM V3

IM 3031

senkrechte Lage, ohne Füße, 2 Lagerschilder, Flanschanbau oben

IM B14

IM 3601

waagrechte Lage, 2 Lagerschilder, ohne Füße, kein Zugang zum Flansch von der Gehäuseseite

IM V18

IM 3611

senkrechte Lage, ohne Füße, Flanschanbau unten, kein Zugang zum Flansch von der Gehäuseseite

IM V19

IM 3631

senkrechte Lage, ohne Füße, Flanschanbau oben ,kein Zugang zum Flansch von der Gehäuseseite

Motore mit Fuß- und Flanschbefestigung

Abbildung

Code I

Code II

Erklärung

IM B34

IM 2101

waagrechte Lage, 2 Lagerschilder, Fuß und Flansch, kein Zugang zum Flansch von der Gehäuseseite.

IM B35

IM 2001

waagrechte Lage, 2 Lagerschilder, Fuß und Flansch

Abmessungen von Drehstrom-Normmotoren

IEC

Höhe

Welle

Wellenlänge

Nutenstein

Lochkreis

Innenflansch

Außenflansch

56

56 mm

9 mm

20 mm

3 mm

100 mm

80 mm

120 mm

63

63 mm

11 mm

23 mm

4 mm

115 mm

95 mm

140 mm

71

71 mm

14 mm

30 mm

5 mm

130 mm

110 mm

160 mm

80

80 mm

19 mm

40 mm

6 mm

165 mm

130 mm

200 mm

90

90 mm

24 mm

50 mm

8 mm

165 mm

130 mm

200 mm

100

100 mm

28 mm

60 mm

8 mm

215 mm

180 mm

250 mm

112

112 mm

28 mm

60 mm

8 mm

215 mm

180 mm

250 mm

132

132 mm

38 mm

80 mm

10 mm

265 mm

230 mm

300 mm

160

160 mm

42 mm

110 mm

12 mm

300 mm

250 mm

350 mm

180

180 mm

48 mm

110 mm

14 mm

300 mm

250 mm

350 mm

Effizienzklassen der Drehstrommotoren nach IEC 60034-30:2008

Ab den 16.Juni 2011 dürfen in Europa nur noch hocheffiziente Normmotore der Klasse IE2 des Leistungsbereich 0,75 kW bis 375 kW in Verkehr gebracht werden. Ab 2015 müssen leistungsstarke Motore ab 7,5 kW die Energieeffizienzklasse IE3 erfüllen oder bei IE2 über variable Motorsteuerung geregelt werden. Ab dem Jahr 2017 sind die Anforderungen nach IE3 dann für alle Normmotore ab 0,75 kW zu erfüllen oder sie werden bei IE2 mit variabler Motorsteuerung geregelt. Ein Umrüsten kann bereits vor den Stichtagen sinnvoll sein. Bei normaler Auslastung amortisiert sich der Einsatz von Motoren der höchsten Effizienzklasse meist nach 2 bis 3 Jahren.

Effizienzklasse

veraltete Klassen

Motortyp

Klasse IE1

EFF2

Standard

Klasse IE2

EFF1

High Efficiency

Klasse IE3

NEMA Premium

Premium Efficiency

Klasse IE4

Super Efficiency

Wirkungsgradtabelle bei Drehstrommotoren

kW

IE1 50Hz

IE2 50Hz

IE3 50Hz

kW

IE1 60Hz

IE2 60Hz

IE3 60Hz

2

4

6

2

4

6

2

4

6

2

4

6

2

4

6

2

4

6

0,75

72,1

72,1

70,0

77,4

79,6

75,9

80,7

82,5

78,9

0,75

77,0

78,0

73,0

75,5

82,5

80,0

77,0

85,5

82,5

1,1

75,0

75,0

72,9

79,6

81,4

78,1

82,7

84,1

81,0

1,1

78,5

79,0

75,0

82,5

84,0

85,0

84,0

86,5

87,5

1,5

77,2

77,2

75,2

81,3

82,8

79,8

84,2

85,3

82,5

1,5

81,0

81,5

77,0

84,0

84,0

86,5

85,5

86,5

88,5

2,2

79,7

79,7

77,7

83,2

84,3

81,8

85,9

86,7

84,3

2,2

81,5

83,0

78,5

85,5

87,5

87,5

86,5

89,5

89,5

3,0

81,5

81,5

79,7

84,6

85,5

83,3

87,1

87,7

85,6

3,7

84,5

85,0

83,5

87,5

87,5

87,5

88,5

89,5

89,5

4,0

83,1

83,1

81,4

85,8

86,6

84,6

88,1

88,6

86,8

5,5

84,7

84,7

83,1

87,0

87,7

86,0

89,2

89,6

88,0

5,5

86,0

87,0

85,0

88,5

89,5

89,5

89,5

91,7

91,0

7,5

86,0

86,0

84,7

88,1

88,7

87,2

90,1

90,4

89,1

7,5

87,5

87,5

86,0

89,5

89,5

89,5

90,2

91,7

91,0

11

87,6

87,6

86,4

89,4

89,8

88,7

91,2

91,4

90,3

11

87,5

88,5

89,0

90,2

91,0

90,2

91,0

92,4

91,7

15

88,7

88,7

87,7

90,3

90,6

89,7

91,9

92,1

91,2

15

88,5

88,5

89,5

90,2

91,0

90,2

91,0

93,0

91,7

18,5

89,3

89,3

88,6

90,9

91,2

90,4

92,4

92,6

91,7

18,5

89,5

90,5

90,2

91,0

92,4

91,7

91,7

93,6

93,0

22

89,9

89,9

89,2

91,3

91,6

90,9

92,7

93,0

92,2

22

89,5

91,0

91,0

91,0

92,4

91,7

91,7

93,6

93,0

30

90,7

90,7

90,2

92,0

92,3

91,7

93,3

93,6

92,9

30

90,2

91,7

91,7

91,7

93,0

93,0

92,4

94,1

94,1

37

91,2

91,2

90,8

92,5

92,7

92,2

93,7

93,9

93,3

37

91,5

92,4

91,7

92,4

93,0

93,0

93,0

94,5

94,1

45

91,7

91,7

91,4

92,9

93,1

92,7

94,0

94,2

93,7

45

91,7

93,0

91,7

93,0

93,6

93,6

93,6

95,0

94,5

55

92,1

92,1

91,9

93,2

93,5

93,1

94,3

94,6

94,1

55

92,4

93,0

92,1

93,0

93,6

93,6

93,6

95,0

94,5

75

92,7

92,7

92,6

93,8

94,0

93,7

94,7

95,0

94,6

75

93,0

93,2

93,0

93,6

94,5

94,1

94,1

95,4

95,0

90

93,0

93,0

92,9

94,1

94,2

94,0

95,0

95,2

94,9

90

93,0

93,2

93,0

94,5

94,5

94,1

95,0

95,4

95,0

110

93,3

93,3

93,3

94,3

94,5

94,3

95,2

95,4

95,1

110

93,0

93,5

94,1

94,5

95,0

95,0

95,0

95,8

95,8

132

93,5

93,5

93,5

94,6

94,7

94,6

95,4

95,6

95,4

160

93,8

93,8

93,8

94,8

94,9

94,8

95,6

95,8

95,6

150

94,1

94,5

94,1

95,0

95,0

95,0

95,4

96,2

95,8

>180

94,0

94,0

94,0

95,0

95,1

95,0

95,8

96,0

95,8

>185

94,1

94,5

94,1

95,4

95,4

95,0

95,8

96,2

95,8

Direktstart

Einfachster und kostengünstigster Motorstarter für Antriebe an starken Netzen, die hohe Anlaufströme zulassen und wo die Anwendung ein hohes Anlaufmoment verträgt. Beim Direktstart werden die Statorwicklungen direkt mit dem elektrischen Netz verbunden. Da hier sofort die volle Netzspannung anliegt, treten besonders hohe Anlaufströme (4- bis 8facher Nennstrom) auf, die störende Spannungsänderungen des Stromnetzes bewirken können. Um Rückwirkungen zu vermeiden, werden Leistungen ab 5 kW und der Spannungsangabe 400/690V über einen Stern-Dreieck-Anlauf, Softstarter oder Frequenzumformer hochgefahren. In öffentlichen Niederspannungsnetzen sind die Bestimmungen der Elektroversorgungsunternehmen (EVU) über den Direktanlauf ab Leistungen von 5,5 kW zu beachten. Sofern ein Direktstart nicht zulässig ist, muss der Motor mit verringerter Spannung gestartet werden.
Zum Schalten besteht die Möglichkeit des handbetätigten Ein- und Ausschaltens direkt am Motorschutzschalter.

Stern-Dreieck-Schaltung

Mit einer Stern-Dreieck-Schaltung werden grössere Kurzschlussläufer-Motoren (ab 5kW) wegen des hohen Anzugsstroms bei direkter Einschaltung in Betrieb genommen. Hierzu wird ein in Dreieck-Schaltung arbeitender Motor während des Anlaufs vorübergehend in Sternschaltung betrieben. Hierdurch verringert sich der Anzugsstrom und das Anzugsmoment auf etwa 1/3 des Wertes als bei direkter Inbetriebnahme in Dreieck-Schaltung. Die Stern-Dreieck-Umschaltung kann bei Motoren angewendet werden, deren Ständerwicklung bei der verfügbaren Netzspannung die Dreieck-Schaltung zulässt. Das Umschalten auf Dreieck-Schaltung darf erst dann erfolgen, wenn der Motor bei Stern-Schaltung seine volle Drehzahl erreicht hat. Bei zu früher Umschaltung entsteht ein starker Stromstoß und der Zweck der Umschaltung wird nicht erreicht. Wegen der Verringerung des Anzugsmoment auf 1/3, kann die Stern-Dreieck-Umschaltung zu leichten Anlaufbedingungen, z.B. beim Anlaufen von leerlaufenden Werkzeugmaschinen erfolgen. Sie wird von den EVU bis 11kW (zum Teil auch höher) allgemein zugelassen. Im Stern-Dreieck-Anlauf beträgt der Anlaufstrom max. den zweifachen Motorbemessungsstrom bei einer Anlaufzeit von max. 15 Sekunden (bei Direktanlauf der 6fache Strom bei Anlaufzeit von max. 5 s). Das Motorschutzrelais ist im Strang auf den 0,6fachen Motorbemessungsstrom einzustellen.

Softstart

Beim Softstart wir die Spannung in den Motorwicklungen nach dem Dimmerprinzip stufenlos elektronisch verändert. Der Softstarter ermöglicht einen kontinuierlichen und stoßfreien Drehmomentanstieg und kann somit den Anlaufstrom reduzieren. Im Gegensatz zur Stern-Dreieck-Schaltung, bietet der Softstarter beim Hochlauf den Vorteil einer stufenlosen Spannungsanpassung, so dass der bei Stern-Dreieck übliche Umschaltstoß in Strom und Drehmoment entfällt. Diese Anpassung der Spannung geschieht über eine Phasenanschnittsteuerung. Die Motorerwärmung beim Anlaufvorgang ist geringer als bei Direkt- oder Stern-Dreieck-Start.

Drehzahlstart

Der Drehzahlstarter vereint zum Teil die Vorteile eines Motorstarter mit denen des Frequenzumrichter. Dieser lässt sich handhaben wie ein Motorstarter, bietet jedoch zugleich die Möglichkeit einer variablen Drehzahlregelung. Es ist eine kosteneffiziente und zuverlässige Lösung um die Drehzahl variabel vorzugeben. Das Konzept beinhaltet die Fähigkeit eine generatorische Rückspeisung seitens des Motors zu erkennen und daraufhin die Rampe anzupassen.

Frequenzumrichter

Der Frequenzumrichter (FU) ist ein elektronischer Frequenzwandler von Wechselstrom in einen Wechselstrom mit anderer Frequenz oder Phasenzahl. Der Umrichter bietet die teuerste, aber auch die beste Lösung zum kontinuierlichen und stufenlosen Anlauf von Drehstrom-Asynchronmotoren. Die Vorteile des FU sind die stufenlose Anpassung der Drehzahl, die höhere Konstanz der Drehzahl bei Lastschwankungen sowie die Möglichkeit des direkten Drehrichtungswechsel. Außerdem ermöglicht der integrierte Motorschutz für einen sicheren Betrieb keine zusätzlichen Schutzmaßnahmen.

Vorsicherung und Thermorelais

Für den Motorschutz gibt es unterschiedliche Varianten. Der sicherungsbehaftete Schutz besteht aus Vorsicherung, Schütz und Überlastrelais. Thermoschalter sind kleine Bimetallschalter, die für viele Auslösetemperaturen lieferbar sind. Thermoschalter sind relativ unempfindlich und daher nicht geeignet rechtzeitig eine Motorblockade zu bemerken.

Leistungsschalter

Der sicherungslose Motorschutz besteht aus Leistungsschalter und Schütz. Der Leistungsschalter wird zum Schutz vor thermischer Zerstörung der Wicklungen auf den Motornennstrom eingestellt. Außerdem besteht die Möglichkeit des handbetätigten Ein- und Ausschaltens am Motorschutzschalter. Bei Kurzschluss löst der Leistungsschalter unverzögert aus.

Thermistor

Thermistoren sind temperaturabhängige Halbleiter, die die Motorwicklungen vor Überbeanspruchung infolge zu hoher Wicklungstemperaturen schützen. Für jede Phase der Wicklung wird ein Thermistor in Reihe geschaltet und an ein Thermistorrelais angeschlossen. Steigt der Widerstandswert des Thermistor schnell an, löst das Thermistorrelais zum Schutz des Motors aus. Thermistoren werden vor allem bei Motoren eingesetzt, die an Servomodulen und Frequenzumrichter angeschlossen sind, um den Motor vor einer Überlastung oder unzureichender Kühlung durch den Motorlüfter zu bewahren.

Lastkurve bei Asynchronmotor mit konstantem Lastmoment

Bei konstantem Drehmoment M ist die Leistung P proportional von der Drehzahl n abhängig.

     P = M · 2 π · n oder P = M · ω

Bei Betrieb mit konstantem Drehmoment lässt sich bei diesen Antrieben durch eine Reduzierung der Drehzahl n die Leistung P proportional verkleinern. Eine Halbierung der Drehzahl verringert die Leistung um die Hälfte. Einsatzarten für Motore mit konstanten Lastmomenten sind u. a. Förderbänder, Hebezeuge, Aufzüge, Winden, Vorschubantriebe, Kolbenpumpen und Verdichter bei konstantem Druck.

Lastkurve bei proportional steigenden Drehmoment zur Drehzahländerung

Das Drehmoment steigt proportional zur Drehzahl

     P ungefähr n

Bei einer Reduzierung der Drehzahl n geht die Leistung P quadratisch dazu zurück. Bei einer Halbierung der Drehzahl n beträgt die Leistung P nur noch ein Viertel. Zu den Beispielen hierzu zählen Wirbelstrombremsen, Motorgeneratoren, Extruder, Kalandern, Papiermaschinen, Walzen mit geschwindigkeitsabhängiger Viskose.

Lastkurve bei quadratisch steigenden Drehmoment bei proportionaler Drehzahländerung

Bei quadratisch ansteigendem Drehmoment M steigt die Leistung P mit der dritten Potenz der Drehzahl n

     P ungefähr n³

Weil das Drehmoment M mit steigender Drehzahl n quadratisch ansteigt, ist die Leistung P in der dritten Potenz von der Drehzahl abhängig. Eine Halbierung der Drehzahl erfordert nur noch einen Achtel der Leistung.

Dieser Zusammenhang ist äußerst wichtig bei Pumpen- und Ventilatorantrieben in der Fluidtechnik sowie in der Heizungs- und Lüftungstechnik. Eine Verdoppelung der Drehzahl verdoppelt das Volumen, vervierfacht die Förderhöhe und verachtfacht die Leistung. Anstatt die Fördermenge mit einem Stauschieber oder einer Drosselklappe zu reduzieren, sollte man unter Beachtung der Energieeffizienz die Drehzahl des Antriebsmotors regeln.

Als Beispiele hierfür gelten Kreiselpumpen, Lüfter und Ventilatoren, Propeller, Schiffsschrauben, Rührwerke, Zentrifugen, Fahrantriebe.

Lastkurve mit Drehmoment, das umgekehrt proportional zur Drehzahl sinkt

Nimmt das Drehmoment M umgekehrt proportional zur Drehzahl n ab, so bleibt die Leistung P konstant.

     P ungefähr konstant

Beispiele für Antriebe mit fallender Lastkennlinie sind Haspeln, Wickelmaschinen, aber auch Plandrehmaschinen, wo Schnittkraft und Schnittgeschwindigkeit für ein optimales Ergebnis konstante, vom Werkstoff abhängige Werte haben sollen.

Synchronmotor

Der Drehstrom-Synchronmotor basiert wie der Asynchronmotor auf einem sogenannten Drehfeld, das von 120° versetzten dreiphasigen Wechselstrom gespeist wird. Wo synchrone Drehzahlen gefordert sind, gelangen ein- und mehrphasige Synchronmotoren zum Einsatz, die nach unterschiedlichen Prinzipien konstruiert werden. Wie beim Asynchronmotor lassen sich auch beim Synchronmotor unterschiedliche Drehzahlen durch unterschiedliche Polpaarzahlen realisieren. Jedoch muss die Polzahl des Läufers derjenigen der Statorwicklung entsprechen. Infolge der Massenträgheit benötigen Synchronmotore zum Anlauf besondere Anlasshilfen.

Die Wirkungsweise beruht auf ein magnetisches Drehfeld, das durch einen vom Netz gelieferten Drehstrom erzeugt wird. Die Pole des Drehfeldes wirken auf die Pole des Läufers. Das vorbeieilende Drehfeld erzeugt Kräfte im Drehsinn des Drehfeldes und kurz darauf entgegengesetzt dazu. Wenn sich der Läufer so schnell dreht wie das Drehfeld, wird er synchron vom Drehfeld mitgezogen und läuft dann mit der Drehzahl des Drehfeldes weiter. Baut man in einem Ständer mit Drehstromwicklung einen aus Permamentmagneten aufgebauten Rotor ein, so bildet sich nach erfolgtem Anlauf eine schlupflose Läuferbewegung aus.

Bei zunehmender Momentabgabe entsteht ein sogenannter Lastwinkel, d. h. das Polrad eilt dem Drehfeld winkelverschoben hinterher, ohne jedoch aus dem drehfeldsynchronen Lauf zu fallen. Bei einem Lastwinkel von 90° tritt das Kippmoment auf und der Motor bleibt stehen und läuft auch nach Entlastung nicht mehr von selbst hoch. Synchronmotore sind gegen Spannungsabsenkungen weniger empfindlich als Asynchronmotore und besitzen ein Kippmoment das meist doppelt so groß ist wie das Nennmoment.

Bei Untererregung nehmen Synchronmotoren induktive Blindleistung auf, bei Übererregung generieren sie Blindleistung ins Netz zurück. Sie werden deshalb auch als Phasenschiebermaschinen zur Blindstromkompensation eingesetzt.


Vorteile:

Permanent-Synchronmotor / PSM-Motor

Der Permanentmagnet-Synchronmotor – auch permanenterregter Synchronmotor oder geregelte Synchronmaschine genannt – ist eine Mischung aus einem Wechselstrom-Induktionsmotor und einem bürstenlosen Gleichstrommotor. Wie ein bürstenloser Gleichstrommotor besitzt er einen Permanentmagnetrotor und Spulen auf dem Stator. Der Permanentmagnet-Synchronmotor (PSM) ermöglicht dank Dauermagneten höchste Ausnutzungen und Wirkungsgrade, insbesondere im Teillastbereich. Gegenüber anderen Drehstrommotoren ist dieser Motortyp leichter, kompakter und besitzt ein geringeres Trägheitsmoment.

Der Statoraufbau mit Spulen soll eine sinusförmige Flussdichte im Luftspalt der Maschine erzeugen, die der eines Induktionsmotors ähnelt. Die Leistungsdichte eines Permanentmagnet-Synchronmotors ist höher als die eines Induktionsmotors mit der gleichen Stromstärke, da zur Erzeugung des Magnetfeldes kein Statorstrom verwendet wird.

Die guten Leistungsfaktoren von PSM haben einen markant reduzierten Strombedarf zur Folge und erlauben es, den Umrichter auf minimale Grösse auszulegen. Generell lassen sich mit Permanentmagneten durch den guten Wirkungsgrad äusserst schlanke Maschinen realisieren. Die Rotoren bleiben wesentlich kühler als bei Asynchronmaschinen, weil die Rotorverluste deutlich geringer sind. Darüber hinaus sind hochpolige Maschinen extrem dynamisch und überlastbar.

Eine Sonderform unter den PSM-Motoren sind Torque-Motore (TC-Motore), die üblicherweise als reine Direktantriebe konzipiert werden. Torque-Motore (Torque, engl. = Drehmoment) sind hochpolige Langsamläufer, die in erster Linie für ein hohes Drehmoment ausgelegt werden. Dieses wird insbesondere durch die Verwendung zahlreicher Hochleistungsmagneten erreicht.


Vorteile:

Permanentmagnet-Synchronmotor mit eingebetteten Magneten / IPMSM-Motor

Eine immer größere Bedeutung erreicht der IPMSM-Motor mit seinen integrierten, innenliegenden Permanentmagneten. Der IPMSM (interior permanent magnet synchronous motors), entspricht im wesentlichen dem PSM-Motor, nur dass hier die Magnete in den Luftspalten des Rotors vergraben sind. Durch die Integration der Permanentmagnete in den Rotor ist der magnetisch wirksame Luftspalt entlang des Rotorumfangs nicht konstant, was zu einer stark asymmetrischen Induktivitätsverteilung führt. Dies hat zur Folge, dass zusätzlich zu dem bekannten Magnetdrehmoment ein Reluktanzdrehmoment auftritt, welches für den verlustoptimalen Betrieb berücksichtigt werden muss.

Wegen der guten Eigenschaften in Bezug auf Leistungs- und Drehmomentdichte sowie ihres hohen Wirkungsgrades sind Permanentmagnet-Synchronmotoren mit in den Rotor eingelassenen Magneten hervorragend für den Einsatz im Antriebsstrang eines Elektrofahrzeuges geeignet. Besonders bei hohen Drehzahlen und extremen Belastungen lassen sich beim IPMSM-Motor die Fliehkräfte besser beherrschen.

Vorteile:

Fremderregter Synchronmotor / FSM-Motor

Drei räumlich um 120° versetzte Statorspulen erzeugen ein rotierendes Magnetfeld, da sie von drei jeweils um 120° phasenverschobenen Strömen durchflossen werden. Bei der fremderregten Synchronmaschine (FSM) wird das Magnetfeld des Rotors durch Elektromagneten erzeugt, der über Schleifringe oder kontaktlos über Induktion mit Energie gespeist wird. Sobald der Rotor und das Magnetfeld des Stators synchron laufen entsteht ein Drehmoment. Leider sind Motore mit Schleifringen wartungsintensiver.

Bekannt in der Fahrzeugtechnik ist der Einsatz des FSM-Motor als Lichtmaschine. Mittlerweile sind sie als günstigere Alternative zu PSM auch als Antrieb in Elektrofahrzeugen zu finden. Im Gegensatz zum permanenterregten Synchronmotor (PSM), wo der Rotor über eigene Magneten verfügt, ist das bei der fremderregten Variante (FSM) nicht der Fall. Dort wird das Magnetfeld temporär durch Strom mit einen Elektromagneten erzeugt. Das ist in der Produktion deutlich günstiger als die Verwendung permanenter Magnete aus Seltenen Erden, weshalb diese Technik vor allem für eher preissensible E-Autos interessant ist. Oder für solche, bei denen es nicht auf extreme Fahrleistungen ankommt. Einer der großen Vorteile von fremderregten Synchronmotoren ist, dass die Stärke des Magnetfelds des Rotors eingestellt werden kann und daher über den Stromreduzierung das Magnetfeld geschwächt werden kann.


Vorteile:

Bürstenloser Synchronmotor / I2SM-Motor

Der I2SM-Motor (in-rotor inductive-excited synchronous motor) ist ein bürstenloser Synchonmotor. Wie beim fremderregten Synchronmotor erzeugen drei räumlich um 120° versetzte Statorspulen ein rotierendes Magnetfeld durch den Durchfluss von drei jeweils um 120° phasenverschobenen Strömen. Die Übertragung der Energie für das Magnetfeld erfolgt über einen induktiven Erreger innerhalb der Rotorwelle. Im Gegensatz zum Schleifringmotor ist der I2SM-Motor verschleißfrei, da der Rotorstrom ohne mechanische Reibung übertragen wird. Durch diese Technik kann ein höheres Drehzahlniveau erreicht werden und die Motoreffizienz auf bis zu 95 % gesteigert werden, weil die Verluste bei der Energieübertragung im Rotor um 15 % verringert werden. Vorteilhaft ist auch die kompaktere Bauweise um axial 90 mm durch den Wegfall des Schleifring-Bürsten-Systems.

Der I2SM-Motor ist als Antrieb für Elektrofahrzeuge in der 400V- und 800V-Technik entwickelt. Der Antrieb ist eine deutlich günstigere Alternative zum PSM. Der Hauptvorteil besteht darin, dass durch den Verzicht auf Permenentmagnete keine seltenen Erden benötigt werden.


Vorteile:

EC-Motor / BLDC-Motor

EC-Motore (electronically commutated Motor) auch bürstenlose Gleichstrommotore, BLDC-Motor (BrushLess Direct Current-Motor) genannt sind aufgrund ihrer Bauweise verschleißarm, wartungsfrei und robust. EC-Motore haben eine hohe Dynamik und können einen Wirkungsgrad bis über 90 % erreichen. Sie haben eine hohe Überlastfähigkeit und besitzen eine hohe Leistungsdichte.

EC-Motore benötigen eine elektronische Kommutierung (Stromwender) und verfügen über einen integrierten Controller zur Motorsteuerung. Das Funktionsprinzip ist ähnlich einer Drehstrom-Synchronmaschine mit der Erregung durch Permanentmotore.

Über eine im Motor integrierte Schaltung wir die Drehstromwicklung so angesteuert, dass sie ein drehendes magnetisches Feld erzeugt, das den Läufer mitzieht. Für die Kommutierung gibt es zwei unterschiedliche Steuerverfahren. Sensorgesteuerte Systeme arbeiten mit drei Hallsonden in den Motoren, die auf einer Printplatte angebracht sind. Die Sensorik meldet die aktuelle Rotorposition an die Steuerelektronik. Hierbei tasten die Hallsensoren das Magnetfeld des Steuermagneten auf der Welle ab. Anhand dieser Signale weiß die Elektronik, welche Ausgangstreiber gerade angesteuert werden müssen. Vorteilhaft ist die sensorgesteuerte Kommutierung für die Regelung bei niedrigen Drehzahlen und aus dem Stillstand heraus.

Da die Hallsonden mit ihrer Verdrahtung einen nicht unerheblichen Mehraufwand bei Bau des Motor darstellen und zudem zu weiteren Fehlerquellen führen können, versuchte man eine Weiterschaltung der Ausgangstreiber aus den aktuell gemessenen Strömen und Spannungen abzuleiten. Dies führte zum sensorlosen System, welche auf einfache Art betrieben werden kann. Der Nachteil der sensorlosen Kommutierung ist, dass die Last bei hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl aus dem Tritt fallen kann, da die Elektronik nicht mehr zuverlässig den aktuellen Zustand des Motors erfasst. Dank der Mikroelektronik können sensorlose EC-Motore einfache Lasten sehr gut steuern. Als Anwendung finden sich sensorlose Systeme bei Lüfter und Pumpenmotoren.


Vorteile:

Synchron-Reluktanzmotor

Der Synchron-Reluktanzmotor (SynRM) entspricht physikalisch einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, jedoch ohne Permanentmagnete. Der Reluktanzmotor bestimmt die Rotorlage ohne einen Lagegeber, indem er die inneren elektrischen Werte der Wicklungen auswertet. Deshalb ist er so einfach aufgebaut wie ein normaler Asynchronmotor mit Käfigläufer. Der Stator hat den gleichen Aufbau wie ein handelsüblicher vierpoliger Asynchronmotor.

Der Rotor ist zur Vermeidung von Wirbelströmen als Blechpaket aus Elektroblechen ausgeführt. Die Blechschnittgeometrie erzeugt dank ihrer Form so genannte Flussleit- und Flusssperrabschnitte. Wegen dieser Eigenschaften richtet sich der Rotor im Magnetfeld aus, d.h. in der magnetischen Vorzugsrichtung des Blechpakets tritt ein geringer Widerstand auf und der magnetische Fluss wird im Eisen gut geführt. Rechtwinkelig dazu behindert der mit Luft gefüllte Sperrschnitt den Magnetfluss. Die in den Ständernuten verteilte Wicklung erzeugt unter Strom ein im Luftspalt des Motors umlaufendes Drehfeld.

Es treten kaum Verluste auf, weil der Rotor keine Kurzschluss- oder Erregerwicklung benötigt. Die im Vergleich zu klassischen Motoren deutlich geringere Wärmeentwicklung kommt sowohl den Lagern als auch der Wicklungsisolation zugute.

Da der Rotor nur Eisen und Luft enthält, ist zur Magnetisierung vergleichsweise hoher Ständerstrom notwendig. Das erhöht aber nicht den Netzstrom, da dieser durch den Zwischenkreis des Frequenzumrichters ausgeglichen wird. Der Leistungsfaktor liegt am Umrichter etwa bei eins, weswegen der Wechselrichter für einen höheren Bemessungsstrom ausgelegt werden muss.

Nachteilig im Vergleich zur Asynchronmaschine ist die fehlende Netzanlauffähigkeit ohne Einsatz eines Frequenzumrichters. Durch Speisung über einen Frequenzumrichter lässt sich die Drehzahl von Null bis zur Betriebsdrehzahl regeln und während des Betriebs verstellen. Beim Einschalten des Umrichters synchronisiert sich der Läufer und fällt „in Tritt“ mit dem umlaufenden Drehfeld. Über eine geeignete Rotorlageregelung im Umrichter wird sichergestellt, dass der Rotor nicht beim Lastwechsel „außer Tritt“ fällt.

Waren früher dank der konstanten Drehzahl die Reluktanzmotore hauptsächlich bei Textilmaschinen zu finden, so könnte dieser Motor in Zukunft auch eine große Anwendung auch beim Elektroauto erreichen. Der Reluktanzmotor macht sich das Phänomen zunutze, dass jedes System nach minimalem magnetischem Widerstand (Reluktanz) strebt. Weil der Rotor ohne Permanent- oder Elektromagnete auskommt, ist er in der Herstellung sehr günstig. Allerdings ist der Motor etwas lauter und weniger laufruhig.


Vorteile:

SRM-Motor / schaltbarer Reluktanzmotor

Schaltbare Reluktanzmotore (SRM-Motore) haben eine unterschiedliche Anzahl ausgeprägter Zähne an Rotor und Stator. Die Statorzähne sind mit Spulen bewickelt, die abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Der Rotor besteht aus magnetischem Stahl. Die Zähne mit den bestromten Wicklungen ziehen jeweils die nächstgelegenen Zähne des Rotors wie ein Elektromagnet an und werden abgeschaltet, wenn die Zähne des Rotors den sie anziehenden Statorzähnen gegenüberstehen. In dieser Position wird die nächste Phase auf anderen Statorzähnen eingeschaltet, die andere Rotorzähne anzieht.

Um die Rotorlageposition zu bestimmen wird die Maschine in der Regel mit einem Rotorlagegeber versehen, welche dem Controller die Motorposition mitteilt und die Bestromung des jeweiligen Zahns veranlasst.

Es gibt aber auch geberlose Steuerverfahren, die die Motorsteuerung anhand des Statorstroms oder über das Drehmoment regeln. Diese Reluktanzmotoren zeichnen sich durch einen geringen Bauaufwand aus und erreichen eine hohe Robustheit, jedoch erreicht diese Bauart eine schlechtere Regelqualität. Der SRM-Motor verfügt über einen höheren Drehmomentenrippel als andere Drehstrommotore, wodurch der Motor lauter ist als beispielweise ein Synchron-Reluktanzmotor. Da der SRM-Motor einen höheren Phasenstrom besitzt, ist die Leistungselektronik teurer.

Geschaltete Reluktanzmotoren wandeln Reluktanzdrehmomente in mechanische Energie um. Die Energie wird in den Windungen des Stators anstelle des Rotors erzeugt. Wenn an den Statorwindungen Strom anliegt, erzeugt die magnetische Reluktanz des Rotors eine Kraft, die versucht, den Rotor mit den unter Strom stehenden Windungen auszurichten.


Vorteile: