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Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM)und Synchronreluktanzmotoren haben ihre Bedeutung im Bereich der modernen Motortechnologien. Obwohl diese Motoren strukturell unter die Synchronreluktanzmotoren fallen, Motoren Familie bestehen erhebliche Unterschiede hinsichtlich Design, Funktionsprinzipien und Anwendungsbereichen.
Bei den meisten PMSMs besteht der Rotor aus hochleistungsfähigem Permanentmagnetmaterial aus seltenen Erden wie Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) oder Samarium-Kobalt (SmCo), das ohne externe Erregerenergie ein starkes Magnetfeld erzeugt. Der Stator umfasst einen Eisenkern und Wicklungen, durch die ein dreiphasiger Wechselstrom fließt, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Normalerweise ist die Rotorstruktur eines PMSMs einfach, klein und leicht.
Die meisten SynRMs verwenden eine einzigartige Rotorkonfiguration, die normalerweise nicht gestapelt ist, eine gängige Methode, um den Wirbelstromverlust im Rotor zu reduzieren. Der Rotor hat keine Permanentmagnete; das Drehmoment wird stattdessen durch die hohe Reluktanz von Siliziumstahlblechen erzeugt. Die Struktur des Stators ist dann im Wesentlichen identisch mit der des PMSM: Eisenkern und Wicklungen. Die SynRM-Rotorstruktur ist relativ kompliziert, obwohl sie weniger kostspielig ist als die Herstellung des Rotors.
Das Funktionsprinzip des PMSM basiert im Wesentlichen auf einer Wechselwirkung von Magnetfeldern. Demnach interagiert das entstehende rotierende Magnetfeld bei der Erregung der Wicklungen am Stator mit dem Magnetfeld der am Rotor angebrachten Permanentmagnete und zwingt diesen so, der durch das rotierende Magnetfeld ausgeübten Drehung zu folgen. Beim PMSM ist eine geeignete Regelung von Drehzahl und Drehmoment durch entsprechende Frequenz-, Phasen- und Amplitudensteuerung des Statorstroms möglich.
Synchronreluktanzmotor vs. Permanentmagnet. Bei einem SynRM erzeugt die Erregung der Statorwicklungen ein rotierendes Magnetfeld, das eine Änderung der Reluktanz im Rotor bewirkt. Er passt seine Position automatisch an, um die Reluktanz zu minimieren und erreicht so eine synchrone Rotation mit dem rotierenden Magnetfeld. Der SynRM ist für die Drehmomenterzeugung von der Änderung der Reluktanz im Rotor abhängig, und daher unterscheiden sich die meisten Drehmomenteigenschaften des SynRM von denen des PMSM.
Permanentmagnete, die als Magnetfeldquelle verwendet werden, sind für die hohe Effizienz und den geringen Energieverbrauch von PMSMs verantwortlich. Bei höheren Geschwindigkeiten und unter Nennlastbedingungen bieten PMSMs normalerweise eine bessere Effizienz. SynRM erfordert eine zusätzliche Stromversorgung zur Erzeugung magnetischer Felder und ist daher etwas weniger effizient als PMSM. Unter Teillastbedingungen kann dies anders sein, da SynRM die Leistung entsprechend der Strompegelanpassung optimieren kann.
Die PMSMs zeichnen sich durch präzise Frequenz-, Phasen- und Amplitudenänderungen des Statorstroms, hohe Effizienz, einen großen Drehzahlbereich und gute Leistung bei der Drehzahlregelung aus. Andererseits reagieren sie dynamisch, sodass der Motor auf jede Laständerung sofort reagiert und diese nicht überhört werden kann. Obwohl SynRM im Vergleich zu PMSM einige Nachteile aufweist, wie z. B. eine relativ niedrige Drehzahl und dynamische Reaktion, ist die erforderliche Steuerungsstrategie erheblich reduziert, sodass das Design des Steuerungssystems vergleichsweise einfach ist.
Thermische Leistung und Zuverlässigkeit Das Permanentmagnetmaterial von PMSM besteht aus Permanentmagnetmaterial der seltenen Erden, dessen Hochtemperaturbeständigkeit relativ gut ist. Die Gefahr besteht darin, dass in Hochtemperaturumgebungen die Permanentmagnete entmagnetisiert werden können. Darüber hinaus handelt es sich um eine einfache Rotorstruktur; diese Struktur macht PMSM zuverlässiger. Obwohl der SynRM eine komplexere Rotorstruktur hat, weist er dennoch eine gute thermische Stabilität auf, mit geringen Temperaturanstiegen, sodass er auch bei hohen Temperaturen eine gute Leistung aufrechterhalten kann. Außerdem sind die Rotormaterialkosten niedriger, was die Herstellung von SynRM relativ billig macht.
Die Hauptgründe für die breite Verwendung von PMSMs in High-End-Anwendungen in Elektrofahrzeugen, Windkraftanlagen und Werkzeugmaschinen sind ihre hohe Effizienz, ihre schnelle Regelungsleistung und ihre schnelle dynamische Reaktion. SynRM wird in kostensensiblen Bereichen wie Haushaltsgeräten und Industrieanlagen eingesetzt. Dank hoher thermischer Stabilität und geringem Temperaturanstieg kann SynRM auch bei hohen Temperaturen eine gute Leistung aufrechterhalten. Aus diesem Grund wird SynRM in einigen Spezialbereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Ölförderung und anderen Abteilungen eingesetzt.
Synchronreluktanzmotoren und PMSM unterscheiden sich stark in Bezug auf Konstruktion, Funktionsprinzip, Leistung und Anwendungsbereiche. Permanentmagnet-Synchronmotoren verfügen über einen höheren Wirkungsgrad, eine hohe Regelleistung bei hohen Geschwindigkeiten und eine schnelle dynamische Reaktion; daher können sie das High-End-Segment auf dem Markt beherrschen. Anwendungen in kostensensiblen Bereichen werden jedoch aufgrund ihres niedrigen Preises, ihrer hohen thermischen Stabilität und ihrer einfachen Struktur von Synchronreluktanzmotoren dominiert. Bei der Auswahl eines Motortyps müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, wobei die spezifischen Anwendungsanforderungen und -szenarien zu berücksichtigen sind, um den am besten geeigneten Motortyp auszuwählen. In Zukunft werden mit der kontinuierlichen Verbesserung der Technologie und der Ausweitung der Anwendungsbereiche beide Motortypen in ihren jeweiligen Bereichen an Bedeutung gewinnen.
Welche Auswirkungen hat das Fehlen von Permanentmagneten in SynRMs auf deren Umweltverträglichkeit?
SynRMs vermeiden die Abhängigkeit von Seltenerdmagneten und verringern die Umweltbedenken im Zusammenhang mit dem Abbau und Recycling von Materialien wie Neodym.
