Nahezu der gesamte Wirkungsgradgewinn oberhalb von IE4 stammt aus zwei Technologien: dem Synchron-Reluktanzmotor (SynRM) und dem permanenterregten Synchronmotor (PMSM). Beide lassen den klassischen Asynchron-Käfigläufermotor hinter sich, beide erreichen IE5 und in einigen Fällen IE6, und beide haben eines gemeinsam, das oft übersehen wird: Sie laufen nicht am Netz, sondern nur mit einem Frequenzumrichter. Dieser Artikel erklärt, wie sie sich unterscheiden, warum dieser Unterschied wichtig ist, und wann man welche Technologie wählt.
Asynchron vs synchron: die Grundlagen
Ein klassischer Asynchronmotor (Käfigläufermotor) läuft immer etwas langsamer als das Drehfeld des Stators: dieser Unterschied, der Schlupf, ist nötig, um im Rotor einen Strom zu induzieren, der das Drehmoment erzeugt. Dieser induzierte Rotorstrom verursacht Verluste, und genau diese Verluste bilden die Obergrenze dessen, was ein Asynchronmotor an Wirkungsgrad erreichen kann. In der Praxis ist IE4 dafür etwa die Grenze.
Ein Synchronmotor läuft exakt synchron mit dem Drehfeld, ohne Schlupf. Im Rotor wird kein Strom induziert, sodass die zugehörigen Verluste entfallen. Genau deshalb können sowohl SynRM als auch PMSM, beide Synchronprinzipien, oberhalb von IE4 arbeiten. Der Unterschied zwischen beiden liegt darin, wie der Rotor synchron mitgezogen wird.
Was ist ein SynRM (Synchron-Reluktanz)?
Ein Synchron-Reluktanzmotor hat einen Rotor ohne Wicklungen und ohne Magnete: nur ein clever geformtes Paket aus Stahlblechen mit Aussparungen (Flussbarrieren). Der Rotor folgt dem Drehfeld, weil der magnetische Fluss stets den Weg des geringsten Widerstands (Reluktanz) sucht. Das Drehfeld zieht den Rotor gewissermaßen entlang der Achse geringster Reluktanz mit.
Der große Vorteil: keine Magnete und kein Rotorstrom bedeuten einen kühlen, robusten Rotor und keine Abhängigkeit von Seltenen Erden. Der Rotor passt zudem in dasselbe Gehäuse wie ein Standard-Asynchronmotor, was den Eins-zu-eins-Austausch vereinfacht. ABB bringt diese Technologie unter dem Namen SynRM auf den Markt, kombiniert mit einem passenden Umrichter.
Der Nachteil: ein SynRM hat einen etwas geringeren Leistungsfaktor und eine geringere Leistungsdichte als ein PMSM und liefert seinen besten Wirkungsgrad erst in Kombination mit einem gut abgestimmten Umrichter. Für die meisten Pumpen-, Lüfter- und Kompressoranwendungen ist das mehr als ausreichend.
Was ist ein PMSM (Permanentmagnet)?
Ein permanenterregter Synchronmotor hat Magnete im oder auf dem Rotor (meist Neodym-Eisen-Bor). Diese Magnete liefern ein konstantes Rotorfeld, das synchron mit dem Statordrehfeld mitläuft. Da das Rotorfeld von den Magneten geliefert wird und nicht induziert werden muss, ist der PMSM sehr effizient, kompakt und drehmomentstark.
PMSM-Motoren erreichen in der Regel die höchste Leistungsdichte und den besten Leistungsfaktor aller Motortypen und sind damit die erste Wahl, wo Bauraum oder Gewicht kritisch sind oder wo ein sehr hoher Teillastwirkungsgrad zählt. Sie sind auch in Servoanwendungen und in der Traktion verbreitet.
Die Nachteile: Die Magnete machen den Motor empfindlicher gegenüber hohen Temperaturen (Entmagnetisierungsrisiko) und abhängig vom Preis und der Verfügbarkeit Seltener Erden. Bei einem Netzausfall kann ein laufender PMSM zudem Spannung zurückspeisen, was bei der Auslegung Beachtung erfordert.
SynRM vs PMSM: der Vergleich
Kurz zusammengefasst: Wählen Sie SynRM für Robustheit, einen kühlen Rotor, keine Magnetabhängigkeit und einfachen Eins-zu-eins-Austausch bei industriellen Pumpen- und Lüfteranwendungen. Wählen Sie PMSM, wo maximale Leistungsdichte, der höchste Wirkungsgrad oder das kleinste Bauvolumen ausschlaggebend sind und wo die Temperatur beherrschbar ist.
Beide Technologien erreichen IE5. Mit einer optimierten Auslegung kann PMSM bis IE6 wachsen. SynRM bietet in der Praxis die niedrigsten Gesamtbetriebskosten bei industriellen Standardanwendungen, während PMSM in kompakten, hochdynamischen oder gewichtskritischen Anwendungen brilliert.
Wie sie IE5 und IE6 erreichen
Die Wirkungsgradklassen IE1 bis IE6 sind in der IEC 60034-30-1 (IE1 bis IE4) und der späteren IEC TS 60034-30-2 (IE5 und höher) definiert. Jede Klassenstufe steht für etwa 20% weniger Verluste als die vorherige. Wo ein guter Asynchronmotor bei IE4 stehen bleibt, erreichen SynRM und PMSM IE5, und mit PMSM ist IE6 in bestimmten Ausführungen erreichbar.
Zur Übersetzung von Wirkungsgrad in Euro: Bei Dauerbetrieb macht jede Klassenstufe schnell mehrere hundert Euro pro Jahr und Motor aus. Berechnen Sie Ihre eigene Situation mit unserem Energiesparrechner, der den Unterschied zwischen den IE-Klassen in kWh, Euro und Amortisationszeit umsetzt.
Warum ein Frequenzumrichter erforderlich ist
Dies ist der Punkt, der in der Praxis am häufigsten für Überraschungen sorgt: Weder ein SynRM noch ein PMSM kann direkt am Netz anlaufen. Ein Asynchronmotor läuft dank des Schlupfs von selbst an; ein Synchronmotor nicht, denn der Rotor kann das plötzlich mit voller Drehzahl rotierende Statorfeld aus dem Stillstand nicht einholen. Beide Typen benötigen daher immer einen Frequenzumrichter, der die Frequenz ab null allmählich aufbaut.
Das ist kein Nachteil, sondern oft ein Vorteil: Der Umrichter liefert stufenlose Drehzahlregelung, Sanftanlauf und, bei Pumpen- und Lüfteranwendungen mit variabler Last, zusätzliche Energieeinsparungen über den Gewinn des Motors selbst hinaus. Es bedeutet jedoch, dass Sie Motor und Umrichter als ein System spezifizieren müssen. Mehr über die Auswahl und EMV-Aspekte lesen Sie in unserem Artikel über Frequenzumrichter.
Wann wählt man was?
Für eine Standard-Pumpe, einen Lüfter oder Kompressor im Dauerbetrieb, bei dem Sie Energie sparen und dennoch nahe an einem Eins-zu-eins-Austausch bleiben möchten: SynRM. Robust, kühl, ohne Magnete und bei ABB in vertrauten Gehäusen lieferbar.
Für kompakte Anwendungen, hohe Dynamik, Servo, Traktion oder wo jedes Prozent Teillastwirkungsgrad zählt: PMSM. Wo Sie derzeit noch einen IE3-Motor betreiben und die Anlage bereits einen Frequenzumrichter hat oder bekommt, lohnt sich der Umstieg auf einen IE5 SynRM oder PMSM fast immer zur Durchrechnung.
Unentschieden zwischen dem Behalten Ihres aktuellen Asynchronmotors oder einem Umstieg? Unsere Wissensdatenbank behandelt diese Abwägung separat in Reparieren oder Ersetzen und in IE-Wirkungsgradklassen.
Praktische Empfehlungen
Spezifizieren Sie Motor und Frequenzumrichter stets zusammen als System, nicht getrennt. Fragen Sie bei einer IE5/IE6-Anfrage den Wirkungsgrad an Ihrem tatsächlichen Betriebspunkt ab, nicht nur bei Volllast; gerade bei Teillast weichen die Technologien voneinander ab. Berücksichtigen Sie bei PMSM die maximale Wicklungstemperatur und das Rückspeiseverhalten bei Netzausfall. Und lassen Sie vor einem Austausch die Amortisationszeit auf Basis Ihrer Betriebsstunden und des Strompreises berechnen.
Van Bodegraven liefert sowohl ABB SynRM- als auch PMSM-Lösungen mit passenden ABB-Umrichtern und berät zur richtigen Wahl für Ihre Anwendung. Wir liefern aus ABB EU-Lager mit kurzen Lieferzeiten.
Aus den in diesem Artikel genannten Daten können keine Rechte abgeleitet werden. Kontaktieren Sie uns für ein konkretes Angebot und den aktuellen Lieferstatus.
IE5- oder IE6-Motor für Ihre Anwendung?
Geben Sie Ihre Leistung, Drehzahl, Ihr Betriebsregime und an, ob bereits ein Frequenzumrichter vorhanden ist. Wir schlagen eine passende SynRM- oder PMSM-Lösung mit geeignetem ABB-Umrichter vor und berechnen die Amortisationszeit für Sie.