Es gibt eine große Auswahl an Elektromotoren, die für viele industrielle Anwendungen und Geräte geeignet sind. Ingenieure und Designer haben bei der Auswahl eines Motors für ihre Anwendung eine große Auswahl. Die globale Klassifizierung von Elektromotoren ist hauptsächlich in zwei verschiedene Bereiche unterteilt: Wechselstrommotoren und Gleichstrommotoren. Dieser Artikel konzentriert sich auf vier verschiedene Untergruppen: Wechselstrom-Induktionsmotoren, synchrone bürstenbehaftete Gleichstrommotoren (mit Kommutator), bürstenlose Gleichstrommotoren und Permanentmagnet-Synchron-Sinus-Wechselstrommotoren (PMSM).
1. AC-Induktionsmotor
Als Industrieantriebe werden häufig Induktionsmotoren eingesetzt. Der Stator des Induktionsmotors besteht aus gewickelten Polen, die direkt oder über einen Frequenzumrichter an das Netz angeschlossen werden können. Der Wechselstrom durch diese Pole induziert ein Magnetfeld im Luftspalt und im Rotor. Da für diesen Motortyp Wechselstrom verwendet wird, ist mit dem Begriff „Wechselstrommotor“ häufig tatsächlich ein Induktionsmotor gemeint. Das Magnetfeld induziert im Rotor Wirbelströme, mehr oder weniger wie bei einem Transformator. Diese induzierten Ströme im Rotor erzeugen ein Magnetfeld, das das Drehmoment erzeugt.
Eichhörnchenkäfige
Die meisten Induktionsmotoren haben elektrisch kurzgeschlossene Rotoren, sogenannte Käfigläufer. Dies ist der Grund für den anderen Spitznamen des Induktionsmotors: „Käfigläufermotor“. Induktionsmotoren verwenden KEINE Permanentmagnete, sondern nur Kupferdraht und laminierten Stahl. Der Rotorkäfig besteht größtenteils aus Aluminiumstäben, in den letzten 10 Jahren werden aber auch Kupferstäbe verwendet, um den Wirkungsgrad zu steigern.
Ein- und dreiphasige Modelle
Sie sind als Ein- und Dreiphasenmodelle erhältlich. Die Drehstrommotoren sind hauptsächlich für größere Lasten gedacht, während kleinere Lasten häufig von einphasigen Induktionsmotoren angetrieben werden. Bei direktem Anschluss an das Stromnetz beschleunigt der Motor auf eine bestimmte feste Drehzahl, die etwas langsamer ist als die Drehfrequenz des angelegten elektrischen Feldes (dieses Phänomen wird als Schlupf bezeichnet). Diese Eigenschaft ist der Grund, warum Induktionsmotoren manchmal auch als Asynchronmotoren bezeichnet werden. Die erreichte Geschwindigkeit hängt von der Anzahl der Polpaare und der angelegten elektrischen Frequenz ab. Die Belastung der Welle verringert die Drehzahl des Motors nur geringfügig (in der Größenordnung von einigen Prozent).
Bild: Käfigläuferrotor (Quelle)
Beispiel: Ein Induktionsmotor mit 2 Polpaaren, der an ein 50-Hz-Netz angeschlossen ist, versucht, 1500 U/min (=Elektrofrequenz*60 Sek./Polpaare) zu erreichen, ist jedoch abhängig von der Last etwas langsamer.
Für viele Anwendungen ist diese konstante Geschwindigkeit geeignet. Dank moderner elektrischer Antriebstechnik ist es mittlerweile auch möglich, durch den Einsatz eines Frequenzumrichters (VFD) eine variable Geschwindigkeit zu erreichen. Da die elektrische Frequenz (wie bereits erwähnt) variiert, variieren auch die Umdrehungen pro Minute der Welle proportional. Die Einführung des VFD hat die Funktionalität und die Energieeffizienz des Induktionsmotors verbessert.
Vor- und Nachteile des Wechselstrom-Induktionsmotors
Induktionsmotoren haben im Vergleich zu Permanentmagnetmotoren einen geringeren Gesamtwirkungsgrad und eine geringere Drehmomentdichte. Aufgrund des Fehlens/Fehlens von Permanentmagneten ist es einfacher und unkomplizierter, eine Feldschwächung anzuwenden, was einen großen Drehzahlbereich für diese Motoren ermöglicht. Induktionsmotoren sind in vielen Industrie- und Haushaltsanwendungen weit verbreitet, wo Drehmomentdichte und Steuerbarkeit von geringerer Bedeutung sind. Sie sind selbststartend, zuverlässig und wirtschaftlich.
2. Synchrone bürstenbehaftete Gleichstrommotoren (mit Kommutator)
Wie der Name schon sagt, werden bürstenbehaftete Gleichstrommotoren mit Gleichstrom (DC) betrieben. Die Motoren sind mechanisch kommutiert. Gleichstrommotoren mit Bürsten verwenden einen Permanentmagneten oder gewickelte Statorpole. Der Permanentmagnet oder die gewickelten Statorpole erzeugen das stationäre Hauptmagnetfeld des Motors.
Gleichstrommotoren mit Rotorbürsten
Rotoren von Gleichstrommotoren mit Bürsten bestehen aus gewickelten Polen, die über einen Kommutator mit Bürsten an eine Spannungs- oder Stromversorgung angeschlossen sind. Wenn die Rotorpole Strom führen, entsteht ein Magnetfeld. Dieses Rotorfeld wird versuchen, sich an das Statorfeld anzupassen und somit ein Drehmoment zu erzeugen. Der Stromverlauf in den einzelnen Spulen des Rotors wird durch den Kommutator und die Bürsten bestimmt (Bild).
Stator bürstenbehaftete Gleichstrommotoren
Die Statoren von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren sind entweder mit gewickelten oder permanentmagnetischen Polen konstruiert. Die bewickelten Pole des Stators müssen mit einer bestimmten Spannung/Strom versorgt werden. Dies schafft eine zusätzliche Steuerfunktion und verleiht einem Motor spezifische Drehmoment-/Drehzahleigenschaften. Typische Konfigurationen sind Reihen-, Shunt- und Verbundkonfigurationen.
Brushed DC motor. Image credit: ZGC Motor
Kommutator-Bürsten-Gleichstrommotoren
Der Kommutator wirkt wie ein mechanischer Schalter, da er abhängig von der Rotorposition einen Stromfluss durch abwechselnde Rotorpole bewirkt. Daraus ergibt sich ein kontinuierliches Drehmoment pro Umdrehung. Die Bürsten gleiten ständig über den Kommutator und verschleißen dadurch. Dies wirkt sich negativ auf die Lebensdauer und den Wartungsablauf des bürstenbehafteten Gleichstrommotors aus und stellt einen großen Nachteil für diesen Motortyp dar. Aufgrund der Einführung anspruchsvollerer Elektronik (wie VFDs) wurde das mechanisch kommutierte Rotorfeld mit den Bürsten in ein elektronisch kommutiertes Prinzip (d. h. bürstenloser Gleichstrom) umgewandelt.
Steuerbarkeit von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren
In den frühen Tagen, als Elektronik noch nicht weit verbreitet war, wurden diese Motortypen häufig für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Eine einfache steuerbare Gleichspannungsversorgung könnte den Motor antreiben. Spätere Optionen wie Stromregelung, Rückkopplungssysteme und PWM-Antriebe ermöglichten eine noch bessere Steuerbarkeit von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren. Der Einsatz von Permanentmagneten ermöglicht bei dieser Art von Motoren eine relativ hohe Drehmomentdichte und einen guten Wirkungsgrad.
Vor- und Nachteile von Gleichstrommotoren mit Bürsten
Die Leistung der bürstenbehafteten Gleichstrommotoren beim Starten und Regeln der Drehzahl ist gut. Es weist eine relativ hohe Drehmomentdichte auf. Der Geschwindigkeitsregulierungsbereich ist groß und läuft reibungslos. Die elektromagnetische Störung ist gering und die Überlastfähigkeit ist hoch. Der Aufbau der DC-Bürstenmotoren ist jedoch nachteilig. Der Gleitkontakt zwischen Kommutator und Bürste verursacht Funken und mechanischen Verschleiß. Aus diesem Grund haben Gleichstrom-Bürstenmotoren eine relativ kurze Lebenserwartung, Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit und hohe Wartungskosten.
3. Brushless DC motors (BLDC)
Wie der Name schon sagt, kommen bei bürstenlosen Gleichstrommotoren keine Bürsten zum Einsatz. Im Vergleich zu bürstenbehafteten Gleichstrommotoren verwenden bürstenlose Gleichstrommotoren eine ganz andere Kommutierungsmethode. Anstelle von Bürsten erfolgt die Kommutierung elektronisch. Der Aufbau der meisten bürstenlosen Gleichstrommotoren basiert auf einem Stator mit gewickelten Polen und einem mehrpoligen Permanentmagnetrotor. Der mehrpolige Permanentmagnetrotor läuft an einem Stator mit bewickelten Polen vorbei. Die Permanentmagnete des Rotors reagieren auf das sich ändernde Magnetfeld des Stators. Der Stator ist feststehend, es gibt keine beweglichen Drähte. Daher sind beim bürstenlosen Gleichstrommotor keine Schleifringe, Kommutatoren oder Bürsten erforderlich.
Statorpole – Dreiphasensystem
Meistens sind die Statorpole in einer dreiphasigen Konfiguration gewickelt. Das Dreiphasensystem der Statorwicklungen ist mit einem Stromkreis aus elektronischen Schaltern (Transistoren, FETs usw.) verbunden. Der Schaltkreis wird mit einer Gleichspannung oder einer gleichgerichteten Wechselspannungsquelle versorgt. Das einfache Umschalten der Phasen verursacht Ströme in Form einer Rechteckwelle/Trapezform, daher ist auch die Gegen-EMK des bürstenlosen Gleichstrommotors mehr oder weniger rechteckig/Trapezformig. Dies führt zu einer Erhöhung der Drehmomentwelligkeit beim Antrieb dieser Motoren. Durch Phasenvorschub kann mehr Geschwindigkeit erreicht werden. Seit dem Einsatz der VFD-Technologie beim bürstenlosen Motor ist es möglich, einen sinusförmig geformten Strom zu erzeugen.
Sensor
Um die richtige Phase im richtigen Moment einschalten zu können, ist ein Rückkopplungssystem erforderlich. Hall-Sensoren können so positioniert werden, dass sie die Position des Permanentmagnetrotors in Bezug auf den Stator erfassen. Obwohl am häufigsten Hallsensoren verwendet werden, sind auch genauere Positionssensorsysteme erhältlich. Mit dem oben genannten System kann die Drehung des Motors synchron mit der angelegten elektrischen Frequenz gehalten werden.
Vor- und Nachteile bürstenloser Gleichstrommotoren
Bürstenlose Gleichstrommotoren haben im Vergleich zu bürstenbehafteten Gleichstrommotoren viele Vorteile, wie niedrige Wartungskosten, weniger Betriebsgeräusche, bessere Leistung und höhere Effizienz sowie geringere EMV. Sie sind in kompakteren Größen erhältlich und bieten ein hohes Drehmoment-Gewichts-Verhältnis. Im Vergleich zu anderen Motoren weisen bürstenlose Gleichstrommotoren jedoch auch einige Nachteile auf. Die Kosten für Motor und elektronische Steuerung sind vergleichsweise höher. Drehmomentwelligkeit wie bereits erwähnt. Darüber hinaus sind sie etwas komplizierter.
Image credit: Microchip Technology Inc.
4. Permanent-synchrone Sinuswellen-Wechselstrommotoren (PMSM)
Für diesen Motortyp werden häufig auch Begriffe wie PMSM-Wechselstrommotor oder bürstenloser Wechselstrommotor oder EC-Motor (Electric Commutation) verwendet. Das Funktionsprinzip dieses Motors besteht aus einem Statorteil, der ein dreiphasig gewickeltes Spulensystem und eine Rotorkonstruktion mit einer mehrpoligen Permanentmagnetanordnung enthält. Diese Motoren mit hoher Leistungsdichte sind sehr effizient und erfüllen die Energieeffizienzklassen IE4 und sogar IE5. Es gibt verschiedene Konstruktionen von Permanentmagnet-Synchron-Sinus-Wechselstrommotoren, zum Beispiel Innenläufer, Außenläufer, Axialflussmotor, Transversalmotor usw.
Sinusförmiger Strom
Aufgrund des magnetischen Designs ist die Gegen-EMK sinusförmig, in Kombination mit einem sinusförmigen Strom kann ein gleichmäßiges Drehmoment erzeugt werden. Um den sinusförmigen Strom zu erzeugen, ist ein relativ hochentwickelter Antrieb wie ein Leistungsverstärker oder ein VFD erforderlich. Diese Arten von Antrieben werden immer mehr zum Standard und sind einfacher zu verwenden. Ein PMSM-Wechselstrommotor läuft ebenfalls synchron mit der angelegten elektrischen Frequenz (geteilt durch die Anzahl der Polpaare).
Eisenverlust
Durch den Einsatz starker Permanentmagnete kommt es während der Rotation zu ständigen Eisenverlusten im Blechpaket. Diese Eisenverluste begrenzen die maximale Geschwindigkeit des Motors, ebenso wie die höhere Spannung, die für eine höhere Geschwindigkeit erforderlich ist (hauptsächlich begrenzt durch die angelegte Spannung von 400 VAC_rms). Diese Parameter müssen im Auge behalten werden. Bei allen oben genannten Motortypen führt der angelegte Strom zu Verlusten in den Spulen. Diese Verluste müssen in der Struktur thermisch bewältigt werden. Dies erfordert auch eine gute thermische Auslegung, denn je besser die thermische Auslegung, desto höher ist die Drehmomentdichte. Dadurch kann mehr Leistung aufgebracht und abgeführt werden, ohne dass der Motor überhitzt.
Rotor magnets surface mounted vs interior mounted (source)
Hohe Drehmomentdichte
Kombinieren Sie hochfeste Permanentmagnete mit einem hervorragenden magnetischen Design und Sie können einen PMSM-Motor mit sehr hoher Drehmomentdichte erzielen. Beispielsweise kann ein 20 kg (44 lb) schwerer PMSM-Wechselstrommotor einschließlich Gehäuse und Lager eine vergleichbare Leistungs-/Drehmomentabgabe liefern wie ein 55 kg (121 lb) schwerer Wechselstrom-Induktionsmotor. Basierend auf Standard-/passiven Kühlmethoden für beide. PMSM-Wechselstrommotoren erfordern eine kontinuierliche Positionsrückmeldung, entweder durch den Einsatz von Sensoren oder heute ist sogar eine sensorlose Steuerung möglich. Um die Geschwindigkeitsfähigkeiten zu erhöhen, besteht bei einigen PMSM-Wechselstrommotorkonstruktionen die Möglichkeit einer Feldschwächung.
Nutzungswachstum PMSM-Wechselstrommotor
Die Technologie der PMSM-Wechselstrommotoren in Kombination mit Motorantrieben, die eine elektronische Kommutierung ermöglichen, ist schon seit einiger Zeit verfügbar. Da Motorantriebe, die PMSM-Motoren unterstützen, jedoch immer besser verfügbar sind, beginnen immer mehr Unternehmen, Permanentmagnet-Wechselstrommotoren in ihre Anwendungen zu integrieren. Die Nutzung nimmt deutlich zu. Dies liegt an der kompakten Bauweise, der hohen Drehmomentdichte, dem hohen Wirkungsgrad und der langen Lebenserwartung. Der PMSM-Wechselstrommotor bietet Unternehmen die Möglichkeit, Anwendungen zu bauen, die kleiner sind, effizienter arbeiten, besser steuerbar und zuverlässiger sind und daher zu geringeren (Betriebs-)Kosten laufen.
Vor- und Nachteile von PMSM-Wechselstrommotoren
Während PMSM-Wechselstrommotoren immer einen Antrieb benötigen und im Vergleich zu einem Wechselstrom-Induktionsmotor tendenziell etwas teurer sind, sind sie oft eine bessere Alternative. Sie haben eine höhere Drehmomentdichte, sind viel effizienter, deutlich kleiner und leichter als vergleichbare Induktionsmotoren.
Erfahren Sie mehr über verschiedene Motoren
Es gibt eine große Auswahl an Motoren, die für viele industrielle Anwendungen und Geräte geeignet sind. Bei der Auswahl eines Motors für ihre Anwendung haben Ingenieure und Konstrukteure eine große Auswahl.
Auf der Website von Magnetic Innovations können Sie mehr über Direktantriebs-PMSM. und andere Motoren lesen.
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