STRUKTURSTUDIE - page 23

Synchronmaschine. Sie gilt als sicher, ökonomisch und eignet sich
für urbane Anwendungen. Einsatz findet sie beispielsweise in den
Elektrofahrzeugen von Tesla.
Permanenterregte Synchronmaschine (PSM):
Der Statoraufbau
einer permanenterregten Synchronmaschine ähnelt dem einer
Asynchronmaschine. Neben verteilten Wicklungen können hier
auch konzentrierte Wicklungen Anwendung finden. Der Rotor ist
mit Permanentmagneten versehen. Diese können an der Oberflä-
che fixiert sein (Oberflächenmagnete) oder sich in Taschen inner-
halb des Rotors befinden (vergrabene Magnete). Die PSM weist
einen einfachen mechanischen und elektrischen Aufbau auf (kei-
ne Bürsten, keine Schleifkontakte). Auch sind hochpolige Moto-
rentypen leicht herstellbar. Die Maschine besitzt einen sehr guten
Wirkungsgrad im unteren Drehzahlniveau und Teillastbereich. Sie
zählt damit zu den High-Power-Maschinen und ist für den Direkt-
antrieb ohne Getriebe geeignet. Die PSM erreicht eine sehr hohe
Drehmoment- und Leistungsdichte. Insbesondere bei der Verwen-
dung von Seltenen Erden (Nd-Fe-B-Magneten) ist eine sehr kom-
pakte Bauart möglich – sogar noch kompakter als bei strom- bzw.
fremderregten Synchronmaschinen. Der notwendige Einsatz von
Seltenen Erdmetallen führt allerdings zu hohen Materialkosten
und zu Abhängigkeiten von Importen. Jeder permanenterregte
Motor weist außerdem ein durch seinen Magnetgehalt definiertes
Grenzmoment auf. Bei hohen Drehzahlen kommt es des Weiteren
zu großen Verlusten und nur moderaten Leistungen. Der Bereich
hoher Drehzahlen (Feldschwächebereich) erfordert sehr hohe
Blindstromkomponenten vom Umrichter. Im Fehlerfall entwickelt
die PSM insbesondere bei einer geringen Fahrgeschwindigkeit ein
hohes Bremsmoment. Ebenfalls sind sehr hohe Kurzschlussströme
und Leerlaufspannungen bei Umrichterdefekten möglich. Auch in
der Serienfertigung ist von einem aufwendigen Fertigungsprozess
auszugehen. Die permanenterregte Synchronmaschine ist aktuell
die am weitesten verbreitete Maschine bei Hybriden, aber auch
als Traktionsmotor findet sie vermehrt Einsatz.
Stromerregte Synchronmaschine (SSM; Fremderregte Synchron-
maschine):
Die Strom- bzw. Fremderregung kommt insbesondere
bei größeren Synchronmotoren zum Einsatz. Während der Stator
dieser Ausführungsform den gleichen Aufbau wie eine PSM hat,
wird der Rotor mit Erregerwicklungen versehen (anstelle der kos-
tenintensiven Magnete bei der PSM). Hierdurch entstehen entwe-
der Schenkelpolläufer, wenn Polschenkel die Wicklungen tragen,
oder Vollpolläufer, wenn die Wicklungen in Nuten im Rotor einge-
zogen sind. Die Magnetisierung des Rotors erfolgt mittels Strom-
zufuhr von außen. Dabei werden die Erregerwicklungen über ein
Schleifringsystem gespeist. Im Unterschied zu Gleichstrommoto-
ren muss allerdings nur wenig Strom in den Rotor übertragen wer-
den. Bei größeren Maschinen (Durchmesser über 400 mm) lässt
sich auch eine berührungslose Stromversorgung realisieren. Die
SSM erreicht für etwa 30 Sekunden das 2,5-Fache und für 5 Se-
kunden das bis zu 4-Fache des Nennwerts. Des Weiteren weist sie
keinen Leistungsabfall bei höheren Drehzahlen auf. Ihr Wirkungs-
grad und ihre Leistungsdichte sind sehr hoch, die erreichbaren
Werte liegen allerdings unter denen der PSM. Außerdem benötigt
die SSM eine zusätzliche Stromversorgung zur Bereitstellung des
Erregerstroms im Rotor.
Geschaltete Reluktanzmaschine (GRM; Switched Reluctance
Machine, SRM):
Die Funktionsweise der Reluktanzmaschine ba-
siert auf dem Prinzip, dass sich ein magnetisierbarer (aber selbst
nicht magnetischer) Körper nach der Richtung eines von außen
angelegten Magnetfelds ausrichtet. Bei dieser Ausführungsform
besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Zähne des
Stators sind mit spulenförmigen Erregerwicklungen versehen.
Einander gegenüberliegende Wicklungen bilden ein Spulenpaar.
Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material und
trägt keine Wicklungen oder Magnete. Durch Ein- und Ausschal-
ten der Spulenpaare im Stator in einer festgelegten Reihenfolge
wird das Magnetfeld erzeugt, dem der Rotor folgt. Die geschaltete
Reluktanzmaschine ist kostengünstig aufgebaut und sehr robust
trotz der präzise einzuhaltenden kleinen Luftspalte und der kom-
plexen Regelung. Weitere Vorteile sind die hohe spezifische Leis-
tung und die Ungefährlichkeit im Fehlerfall. Ein Nachteil besteht
im lauten Betriebsgeräusch. Dieses entsteht infolge von Pulsströ-
men, die für größere Drehmomente notwendig sind, aber nicht
nur momentbildende, sondern auch pulsierende radiale Kräfte
hervorrufen. Außerdem schwankt das Drehmoment der GRM bei
geringen Drehzahlen. In einer Variation der geschalteten Reluk-
tanzmaschine werden Reluktanzprinzip und permanente Erregung
miteinander kombiniert. Dabei ist der weichmagnetische Rotor mit
Permanentmagneten bestückt. Diese hybriderregte Maschine (Hy-
bridsynchronmaschine, HSM; permanenterregte Synchronreluk-
tanzmaschine) enthält deutlich weniger Magnetmaterialien als die
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