Torsten Blankenburg, Vorstand Technik, Sieb & Meyer AG
Der permanenterregte Synchronmotor mit Oberflächenmagneten, auch SPM-Motor (Surface Permanent Magnet Motor) genannt, hat in den letzten Jahrzehnten in vielen Bereichen der Automatisierung den Asynchronmotor erfolgreich verdrängt. Wesentliche Gründe dafür sind bessere Eigenschaften unter anderem in Bezug auf Leistungsdichte, Wirkungsgrad, Rotortemperatur, maximales Drehmoment und Gewicht. Verhältnismäßig neu ist der Siegeszug des IPM-Motors (Interior Permanent Magnet Motor). Im Gegensatz zum SPM-Motor, bei dem die Permanentmagnete auf der Rotoroberfläche montiert sind, werden bei diesem permanenterregten Synchronmotor die Magnete im Rotor integriert beziehungsweise im Rotorblechpaket eingebettet beziehungsweise vergraben.
Frequenzumrichter für die Regelung von IPM-Motoren
Der IPM-Motor erreicht topologiebedingt – verglichen mit dem SPM-Motor – deutlich höhere Motorinduktivitäten, was für den Betrieb an modernen Frequenzumrichtern sehr vorteilhaft ist. Aufgrund der höheren Motorinduktivität lässt sich über den Frequenzumrichter auch der in vielen Applikationen erforderliche Feldschwächbereich besser darstellen (Drehzahlbereich an maximal verfügbarer Spannung). Zudem werden umrichterbedingte Zusatzverluste in den Magneten stark reduziert, was in einem kühleren Rotor und einem erhöhten Wirkungsgrad resultiert. Sind beim SPM-Motor die beiden für die Regelung entscheidenden Induktivitäten Ld und Lq gleich und über weite Frequenz- und Strombereiche als konstant anzusehen, verhält sich das beim IPM-Motor durchaus anders (LdLq). Ld und Lq sind beim IPM-Motor hingegen ungleich, sättigungsabhängig und somit nicht linear und veränderlich in Abhängigkeit des Motorstromes aber auch der Frequenz. Darüber hinaus ist der Winkel zwischen den vom Umrichter einzuprägenden Strömen Id und Iq arbeitspunktabhängig.
Zusätzliches Drehmoment durch ungleiche Induktivitäten
Der Induktivitätsunterschied LdLq birgt einen topologischen Vorteil: Dabei kann ein zusätzliches Drehmoment genutzt werden, mit Hilfe gezielt eingebrachter Aussparungen im Rotorblech. Diese Aussparungen sorgen dafür, dass bei einem externen magnetischen Feld, sich der Rotor in die Position mit der höchsten magnetischen Leitfähigkeit dreht. Das zusätzliche Drehmoment ist das sogenannte Reluktanzmoment und kann ohne eine Phasenstromerhöhung oder Magnete gewonnen werden – „kostenlos“ sozusagen. Gleichzeitig lässt sich hierdurch ebenfalls teures Magnetmaterial einsparen. Um dieses Reluktanzmoment nutzen zu können, wird nach der Drehmomentformel
M = m/2 p (ΨPMIq) + (Ld – Lq) Id Iq
ein zusätzlicher negativer d-Strom (Id) benötigt, der sich lediglich aus dem Verdrehen des Phasenstromszeigers (IS) ergibt. Durch eine orthogonale Zerlegung des Phasenstromzeigers IS können die Ströme Id und Iq errechnet werden. Durch die negative Induktivitätsdifferenz (LdLq) ergibt sich mit dem negativen d-Strom ein positives Drehmoment. Hierdurch bleiben die strombedingten Kupferverluste durch den Statorstrom IS konstant, wobei das Drehmoment in der Maschine steigt. Bei den SPM-Motoren beträgt der Stromwinkel (außerhalb des Feldschwächbereichs) hingegen immer konstant 90°, da Lq=Ld ist. Allerdings erfordert der IPM-Motor gegenüber dem SPM-Motor regelungstechnisch deutlich mehr Aufwand im Frequenzumrichter. Die vielen Abhängigkeiten des IPM-Motors können nur dann optimal geregelt und ausgenutzt werden, wenn vom Motorhersteller exzellente betriebspunktabhängige Motordaten vorliegen. Denn Fehler in den Motordaten sind aufgrund der vielfältigen Abhängigkeiten der einzelnen Parameter voneinander ansonsten nicht oder fast nicht identifizierbar.
