Steigende Anforderungen an die Energieeffizienz von Elektromotoren mit der aktuell höchsten Energieeffizienzklasse IE4 nach DIN-EN 60034-30-1 lassen Asynchronmaschinen an die Grenzen des physikalisch Machbaren stoßen. Alternativen mit hohem Wirkungsgrad bei kompakter Baugröße sind gefragt.
Im Rahmen eines Forschungsprojekts mit dem Institut für leistungselektronische Systeme ELSYS der Technischen Hochschule Nürnberg entwickeln wir derzeit für genau diese Anforderungen eine Synchronreluktanzmaschine. Benötigt wurde ein Antrieb für ein Querstromfahrtwindgebläse für Fahrtwindsimulationstests in Automobilprüfständen. Mit dem bisherigen Antrieb in Baugröße 160 war eine Ausblasgeschwindigkeit von 160 km/h möglich. Diese sollte auf 180 km/h gesteigert, der Motor aber aufgrund beengter Bauraumverhältnisse nicht vergrößert werden. Zudem war die Energieeffizienzklasse IE4 gefordert.
Besserer Wirkungsgrad, geringere Verluste
Asynchronmaschinen können derartige Effizienzanforderungen nur mit erhöhtem Entwicklungs- und Kostenaufwand erreichen. So kam die Idee einer Synchronreluktanzmaschine ins Spiel, deren Technik nicht neu ist, die jedoch jahrelang aufgrund ihrer fehlenden Netzanlauffähigkeit und damit einem zwingenden Umrichterbetrieb eine eher untergeordnete Rolle im Motorenvergleich spielte. In diesem Projekt kann sie ihre Vorteile ausspielen:
Sie verfügt über einen besseren Wirkungsgrad als die Asynchronmaschine, da im Rotor nur geringe Verluste auftreten. Die Wirkungsweise der Synchronreluktanzmaschine beruht auf der Reluktanzkraft: Dabei strebt das System immer nach dem geringsten magnetischen Widerstand (Reluktanz) und löst so die Drehbewegung aus. Während der Rotor der Asynchronmaschine asynchron zum Drehfeld des Stators läuft, dreht sich der Rotor bei der Synchronreluktanzmaschine synchron zum Statormagnetfeld. Dadurch treten kaum Ummagnetisierungverluste auf, was für die Erreichung der IE4 sehr vorteilhaft ist.
Prüfergebnisse des Prototyps vielversprechend
Derzeit wird der Prototyp des Synchronreluktanzmotors auf Herz und Nieren auf dem Prüfstand der Hochschule geprüft. Die bisherigen Testergebnisse sind vielversprechend. Wirkungsgrad, Bemessungspunkte, Drehmoment und Drehzahl werden wie vorgesehen erreicht. Das stimmt uns für weitere Antriebsprojekte mit Synchronreluktanzmaschinen sehr zuversichtlich.
Geeignet sind Synchronreluktanzmaschinen überall dort, wo es im S1-Betrieb auf einen hohen Wirkungsgrad bei kleiner, kompakter Baugröße ankommt. Mögliche Applikationen sind z. B. Pumpen, Kompressoren, Turbinen oder Lüfter.
Die einzelnen Rotorbleche einer Synchronreluktanzmaschine verfügen über eine spezielle Blechschnittgeometrie aus Flussführungen und Flusssperren, die dafür sorgen, dass eine Drehbewegung entsteht.