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Heute werden viele Geräte noch von Wechselstrom-Induktionsmotoren angetrieben. Doch das ändert sich, denn Ingenieure und Anlagenbediener entscheiden sich zunehmend für Permanentmagnetmotoren, vor allem aufgrund ihrer geringeren Größe und höheren Effizienz. Anwendungen wie Lüfter, Gebläse und Pumpen profitieren besonders von den Stärken von Permanentmagnet-Antriebssystemen.
A Permanentmagnet-Synchronmotor ist ein Wechselstrom-Synchronmotor, der Permanentmagnete zur Magnetfelderregung verwendet. Diese Motoren sind effizient, bürstenlos, schnell und sicher und zeichnen sich zudem durch eine sehr gute dynamische Leistung aus. Mit diesen Vorteilen finden Permanentmagnet-Synchronmotoren Anwendung in vielen verschiedenen Bereichen.
Ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) ist ein Synchronmotortyp, der Permanentmagnete als Induktoren verwendet. In industriellen Anwendungen ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor ein wichtiges Produkt.
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Was ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor?
Ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) ist ein bürstenloser Motortyp, der für seine Zuverlässigkeit und Effizienz hoch geschätzt wird. Es verfügt über einen Permanentmagnetrotor, der mehrere Vorteile bietet, wie z. B. ein hohes Drehmoment, eine kompakte Größe und keinen Bedarf an Rotorstrom. Anstelle von Wicklungen verwendet der Rotor Permanentmagnete, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Diese Konstruktion macht den Motor einfach und kostengünstig, da keine Gleichstromversorgung erforderlich ist. PMSMs arbeiten als Wechselstrom-Synchronmotoren, wobei die Magnetfelderregung durch Permanentmagnete erfolgt, was zu einer sinusförmigen umgekehrten EMF-Wellenform führt. Dadurch kann das PMSM auch bei Drehzahl Null Drehmoment erzeugen. Für einen effizienten Betrieb benötigen diese Motoren jedoch einen digital gesteuerten Wechselrichter.
Bauwesen
Permanentmagnet-Synchronmotoren bestehen wie alle rotierenden Motoren aus einem Rotor und einem Stator. Der Gesamtaufbau eines Permanentmagnet-Synchronmotors ähnelt stark dem eines Standard-Synchronmotors, wobei der Hauptunterschied im Design des Rotors liegt. Bei diesem Motortyp verfügt der Rotor über keine Magnetfeldwicklungen und ist stattdessen mit montierten Permanentmagneten ausgestattet.
Diese Permanentmagnete dienen zur Erzeugung magnetischer Pole innerhalb des Motors. Typischerweise bestehen die in solchen Motoren verwendeten Permanentmagnete aufgrund ihrer hohen Permeabilität aus Materialien wie Samarium-Kobalt und Neodym-Eisen-Bor. Unter diesen Optionen ist Neodym-Eisen-Bor aufgrund seiner Kosteneffizienz und weiten Verbreitung der am häufigsten verwendete Permanentmagnet.
Permanentmagnet-Synchronmotoren funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip wie Synchronmotoren. Sein Funktionsprinzip basiert auf der Wechselwirkung zwischen dem rotierenden Magnetfeld des Stators und dem konstanten Magnetfeld des Rotors. Es beruht auf dem rotierenden Magnetfeld, um bei synchroner Geschwindigkeit ein elektrisches Potential zu erzeugen.
Wenn die Statorwicklungen mit einer dreiphasigen Stromversorgung versorgt werden, entsteht in den Luftspalten ein rotierendes Magnetfeld. Dieses Feld induziert ein Drehmoment, da die Rotorpole synchron mit dem rotierenden Magnetfeld bei konstanter Geschwindigkeit verriegeln, was zu einer kontinuierlichen Drehung des Rotors führt. Da diese Motoren nicht über die Fähigkeit verfügen, selbstständig zu starten, ist die Bereitstellung einer Stromversorgung mit variabler Frequenz für die Inbetriebnahme unerlässlich.
Eigenschaften
- Funkenfrei, sicherer in explosionsgefährdeten Umgebungen
-Sauber, schnell und effizient
-Kompakter, effizienter und leichter als ACIM
-Entwickelte Hochleistungs-Servo-Anwendungen
-Betrieb mit oder ohne Positionsgeber
-Geringes Rauschen und EMI
- Reibungslose Leistung bei niedriger und hoher Geschwindigkeit
-Kombiniert mit Field Oriented Control (FOC) für optimale Drehmomenterzeugung
Typen
1. Klassifizierung von PMSM-Motoren basierend auf dem Rotordesign:
Der Rotor besteht aus Permanentmagneten. Die Permanentmagnete bestehen aus Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke. Basierend auf dem Rotordesign können Synchronmotoren wie folgt klassifiziert werden:
Motoren mit Magnetpolrotor;
Motoren ohne Magnetpolrotor.
Sie können auch klassifiziert werden als:
Interne Permanentmagnet-Synchronmotoren
Bei dieser Konstruktion sind Permanentmagnete in den Rotor eingebettet, wie in der Abbildung unten gezeigt. Sie ist für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet und robust. Das Reluktanzdrehmoment ist auf die Prominenz des Motors zurückzuführen.
Oberflächenpermanentmagnet-Synchronmotor.
Bei dieser Konfiguration sind die Magnete auf der Oberfläche des Rotors montiert. Sie eignet sich für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, ist aber nicht robust. Der Luftspalt ist gleichmäßig, da die Permeabilität der Permanentmagnete und des Luftspalts gleich sind. Kein Reluktanzdrehmoment und hohe dynamische Leistung machen sie für Hochgeschwindigkeitsgeräte wie Roboter und Werkzeugantriebe geeignet.
Klassifizierung von PMSM-Motoren basierend auf dem Statordesign
Der Stator besteht aus einem Außenrahmen und einem Kern mit Wicklungen. Die gebräuchlichsten Ausführungen sind Zweiphasen- und Dreiphasenwicklungen.
Abhängig von der Statorkonstruktion können Permanentmagnet-Synchronmotoren sein:
Verteilte Wicklung;
CZentrale Wicklungen.
Permanentmagnet-Synchronmotorsteuerung
Da Permanentmagnet-Synchronmotoren mit Sinuswellen angetrieben werden müssen, steigt der Steuerungsaufwand. Permanentmagnet-Synchronmotoren erfordern ein Steuerungssystem wie einen Frequenzumrichter oder einen Servoantrieb.
Das Steuerungssystem umfasst ein breites Spektrum an Steuerungstechniken und die Wahl der am besten geeigneten Steuerungsmethode hängt weitgehend von den spezifischen Anforderungen des motorisierten Antriebs ab. Für einfachere Aufgaben wird üblicherweise eine Trapezregelung mit Hall-Sensoren eingesetzt, während zur Optimierung der Leistung eines motorischen Antriebs häufig eine feldorientierte Regelung bevorzugt wird.
In den meisten Fällen erfordern PMSMs einen Antrieb mit variabler Frequenz zur Initiierung. Bestimmte PMSMs sind jedoch mit Käfigläuferstartern im Rotor ausgestattet, die als Leitungsstarter oder Selbststarter bezeichnet werden. Aufgrund des fehlenden Schlupfes werden diese Konfigurationen häufig als hocheffiziente Alternative zu Induktionsmotoren eingesetzt. Es muss jedoch unbedingt sichergestellt werden, dass synchrone Drehzahlen erreicht werden und das System Drehmomentschwankungen während des Startvorgangs standhält.
Haben Synchronmotoren Permanentmagnete?
Bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) sorgen Permanentmagnete in einem Stahlrotor für ein kontinuierliches Magnetfeld. Das rotierende Magnetfeld wird durch Wicklungen im Stator erzeugt, die an die Wechselstromversorgung gekoppelt sind (wie bei einem Asynchronmotor).
Vorteile von Permanentmagnet-Synchronmotoren
Zu den Vorteilen von Permanentmagnet-Synchronmotoren gehören:
-Dynamische Leistung bei hohen und niedrigen Geschwindigkeiten
-Hohe Leistungsdichte
-Geringe Rotorträgheit für einfache Steuerung
-Keine Drehmomentwelligkeit während der Motorkommutierung
-Hohes und gleichmäßiges Drehmoment
-Hohe Effizienz bei hohen Geschwindigkeiten
-Beständig gegen Verschleiß
-Erhältlich in kleinen Größen in verschiedenen Verpackungen
-Einfache Wartung und Installation
-Behält das volle Drehmoment auch bei niedrigen Drehzahlen
-Hohe Zuverlässigkeit
-Effiziente Wärmeableitung
-Niedriger Geräuschpegel
Anwendungen
-Anwendungen für Permanentmagnet-Synchronmotoren umfassen:
-AC-Kompressoren
-Elektrische Servolenkung für Kraftfahrzeuge
-Werkzeugmaschinen
-Große Stromversorgungssysteme zur Verbesserung des voreilenden und nacheilenden Leistungsfaktors
in den letzten Jahren, Synchronmotoren mit Permanentmagneten (PMSMs) werden mit der Entwicklung von Festkörperelektronik, Prozessoren und intelligenten Computertechnologien zunehmend in Hochleistungslaufwerken eingesetzt. Die Vorteile von PMSMs sind einfache Struktur, geringe Größe, hohe Effizienz und hoher Leistungsfaktor.
