Switched reluctance drive

Switched reluctance drive: Wenn der Reluktanzmotor mit einem Rotorlagegeber ausgerüstet wird, so spricht man von einem geschalteten Reluktanzmotor "SR-Drive".

Foto eines dreiphasigen Switched Reluctance Drives

Der SR-Motor wird von einem Ansteuergerät gespeist, welches über Halbleiter-Schalter Strom in die Motorwicklungen fliessen lässt. Ein Regelsystem, welches über Sensoren den Strom und die Rotorlage erfasst, steuert die Schalter. Der Stator besteht aus bewickelten, ausgeprägten Polen. Die gegenüberliegenden Spulen werden gemeinsam gespeist und bilden eine Phase mit Nord- und Südpol. Der Rotor ist eine einfache zahnradähnliche Konstruktion ohne Magnete, Wicklungen und Bürsten.

Schnitt durch einen Switched Reluctance Motor und Prinzipschema des Steuergeräts

Beim Einschalten der entsprechenden Statorwicklungen wirkt auf den Rotor ein Drehmoment, welches von der magnetischen Anziehungskraft zwischen Stator- und Rotorpol herrührt. Die Regelung sorgt anhand der Informationen vom Rotorlagegeber dafür, dass die Spulen im richtigen Augenblick erregt sind, um das benötigte Drehmoment auf die wirksamste Weise zu erzeugen. Bei tiefen Drehzahlen arbeitet die Steuerung im "Choppermodus": In die Windungen wird ein Strom über einen bestimmten Rotorwinkel eingeprägt. Bei höheren Drehzahlen arbeitet die Steuerung im "Pulsmodus": In einer entsprechenden Rotorlage wird für eine bestimmte Zeitspanne eine Spannung an die Spulen angelegt.

Es ist die Flexibilität der Motorerregung, welche weitgehend die hervorragenden Regeleigenschaften und den hohen Wirkungsgrad über einen grossen Drehzahl- und Drehmomentbereich ermöglicht. Der Rotorlagegeber dient auch als Tacho. Drehmoment und Drehzahl sind voll regelbar, was eine anwendungsoptimale "programmierbare" Drehzahl/Drehmoment Kennlinie innerhalb des jeweiligen Leistungsbereichs ermöglicht. Bisher konnten sich SR-Antriebssysteme wegen der fehlenden Standardisierung erst in kundenspezifischen Massenprodukten behaupten.

Kosten von Antriebssystemen

Weit mehr als der technische Aufwand beeinflusst die Losgrösse der Produktion und die Standardisierung im Marketing den Preis der Antriebssysteme. Für Industrieantriebe ist der IEC-Normmotor und der darauf aufbauende Markt der Frequenzumricher eine Richtgrösse. Normmotoren kosten ab einigen kW etwa 30 DM pro Kilogramm Motorengewicht. Bei 2 und 4 poligen Motoren ergibt das etwa 200 pro kW. Frequenzumrichter kosten im höheren Leistungsbereich etwa 400 DM pro kW, also etwa das Doppelte des Motors.

Durchschnittliche Kosten von Asynchronmotoren und Frequenzumrichtern

Ein Servoantriebssystem mit einem Synchronmotor unterscheidet sich vom Asynchronmotor mit Frequenzumrichter theoretisch nur durch die Permanentmagnete im Motor und durch den Rotorlagegeber. Der kleine Synchronmotor hat einen besseren Wirkungsgrad als der entsprechende Asynchronmotor und kann dadurch kompakter gebaut werden, was die Mehrkosten für die Magnete ausgleicht. Der Resolver alleine ist nicht schuld, dass ein 2 kW Synchronservo mehr als doppelt so teuer wie eine entsprechende ASM mit Frequenzumrichter für 2800 DM ist.

Vergleich von Antrieben

Wenn man die Theorie der Antriebe betrachtet, so müsste der Synchronmotor in Bezug auf das Leistungsgewicht, die Dynamik und den Wirkungsgrad gewinnen. Bei einem Vergleich der Katalogdaten von in der Schweiz erhältlichen Motoren ist im Leistungsgewicht keine Dominanz der Synchronmotoren erkennbar geworden. Deutlich wurde eine Unterlegenheit der Gleichstromantriebe. Wenn man davon ausgeht, dass die Motordimension vor allem von der Verlustleistung abhängt, ist das Leistungsgewicht auch ein Mass für den Wirkungsgrad. Bei einem Hersteller von Asynchronmotoren fiel auf, dass seine Motoren ein überdurchschnittlich gutes Leistungsgewicht haben. Auf Anfrage erklärte dieser Hersteller, dass von seinen Motoren die Nennleistung nie dauernd abverlangt würde, und er daher seine Motoren so klassiere. Auch in Bezug auf den Wirkungsgrad sind schon Anbieter aufgetreten, welche die Daten den Kundenbedürfnissen (leider nur auf dem Papier) anpassen. Sie rechnen damit, dass der Wirkungsgrad nicht überprüft wird oder dass die Messgenauigkeit (elektrische Leistung ± 1%, mechanische Leistung ± 2%) die Übertreibung schluckt. Dem Anwender, der Wert auf einen guten Wirkungsgrad legt, wird empfohlen, seine Maschine mit Musterantrieben auszurüsten, und die verschiedenen Antriebe mit einem einfachen Stromzähler zu vergleichen.

Vergleich von Drehmoment und Gewicht von verschiedenen Motoren

Es gibt keinen universalen Superantrieb. Je nach Anwendung haben die verschiedenen Antriebssysteme ihre Vor- und Nachteile. Mit dem Einzug der Frequenzumrichter wurde die Gleichstrommaschine schon mehrmals für tot erklärt. Betrachtet man die Zollstatistik der Schweiz, so sieht man, dass der Trend nicht auf ein baldiges Ableben hinweist.
Ein Vergleich der Antriebssysteme lässt in Bezug auf den Wirkungsgrad folgende verallgemeinerte Aussage zu: Bei Antrieben unter einem Kilowatt Leistung sind die permanenterregten Motoren (Synchron und Gleichstrom) besser als die Asynchronmotoren. Bei Leistungen ab 5 kW ist derzeit die Asynchronmaschine die beste Lösung.

Vergleich der Antriebssysteme