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2025-11-28T16:32:17Z

Vor- und Nachteile: typo, Ausdruck entholpert

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[[Datei:Synchron Reluktanz Motor.svg|mini|Schnitt durch einen 4-poligen Synchron-Reluktanz-Motor mit Rotorscheibe und C-förmigen Flusssperren]]

Ein '''Synchron-Reluktanzmotor''' (kurz ''SRM'' oder ''SynRM'') ist ein [[Reluktanzmotor]] in Form einer [[Drehstrom-Synchronmaschine]] mit einem [[Rotor]] (Läufer), der ausgeprägte Pole aufweist (auch in Form eines sogenannten Flusssperrenschnitts wie in der Abbildung). Der Stator (Ständer) des Synchron-Reluktanzmotors besitzt, wie andere [[Drehstrommaschine]]n, drei räumlich um je 120° versetzte Spulen, die von [[Dreiphasenwechselstrom|dreiphasiger Wechselspannung]] gespeist werden. Durch das vom Ständer erzeugte [[Drehfeld]] hat der Rotor aufgrund längs des Umfangs unterschiedlicher [[Magnetischer Widerstand|magnetischer Leitfähigkeit]] bestimmte Vorzugsrichtungen. Das [[Drehmoment]] wird bei Reluktanzmotoren aufgrund der [[Reluktanzkraft]] durch die Vorzugsrichtungen hervorgerufen, und nicht, wie bei anderen elektrischen Maschinen, infolge der [[Lorentzkraft]].

Der Rotor dreht sich, wie bei allen Synchronmotoren, synchron mit dem Drehfeld des speisenden Spannungsnetzes. Die Drehzahl ist über die [[Polpaarzahl]] mit der [[Frequenz]] der [[Wechselspannung]] verknüpft. In der Praxis sind Synchron-Reluktanzmotoren meistens 4-polig ausgeführt.

== Historie ==
Das Prinzip des [[Reluktanzmotor]]s mit der [[Anisotropie]] der magnetischen Leitfähigkeit im Läufer ist lange bekannt. Bereits 1923 veröffentlichte Jaroslaw K. Kostko einen entsprechenden Artikel<ref>{{Literatur |Autor=J. K. Kostko |Titel=Polyphase reaction synchronous motors |Sammelwerk=Journal AIEE |Band=42 |Datum=1923 |Seiten=1162–1168}}</ref>. Verschiedene Hersteller bieten Reluktanzmotoren zum Betrieb direkt am Netz an. Der Läufer hat meist eine [[Kurzschlussläufer|Kurzschluss-Anlaufwicklung]] zum asynchronen Selbstanlauf. Dieser Motortyp findet aber nur in Nischen, z. B. in der [[Textilindustrie]], Anwendung. 1998 gelang Alfredo Vagati<ref>{{Internetquelle |url=https://ieeexplore.ieee.org/author/37266786400 |titel=Autorenseite über Alfredo Vagati |abruf=2022-09-11 |hrsg=IEEE}}</ref> die Optimierung der Rotorgeometrie zur Reduktion von [[Drehmomentwelligkeit]] und Geräuschemission.

== Aufbau und Arbeitsweise ==
Üblicherweise hat der [[Stator]] (Ständer) eines Synchron-Reluktanzmotors den gleichen Aufbau wie der eines handelsüblichen [[Asynchronmotor]]s mit verteilten Wicklungen. Der [[Rotor]] (Läufer) ist zur Vermeidung von [[Wirbelströme]]n als Blechpaket aus [[Elektroblech]]en ausgeführt. Dieses weist eine besondere Blechschnittgeometrie mit Flussleit- und Flusssperrabschnitten auf. Die in den Ständernuten verteilte Wicklung erzeugt bei Speisung mit [[Drehstrom]] ein im [[Luftspalt (Magnetismus)|Luftspalt]] des Motors umlaufendes [[Drehfeld]]. Bei Speisung über einen [[Frequenzumrichter]] lässt sich die Drehzahl von Null bis zur Betriebsdrehzahl hochführen und während des Betriebs verstellen. Über eine geeignete Rotorlageregelung im Frequenzumrichter wird sichergestellt, dass insbesondere bei Lastwechseln der Rotor nicht außer Tritt fällt. Bei Synchron-Reluktanzmotoren, die am starren Netz betrieben werden sollen, ist der Rotor häufig mit einem Läuferkäfig (ähnlich denen von [[Käfigläufer]]-Asynchronmaschinen) ausgeführt. Dieser ermöglicht einen asynchronen Anlauf am Netz. Sobald sich die Drehzahl des Rotors der synchronen Drehzahl annähert, überwiegt das Reluktanzmoment, so dass sich der Läufer synchronisieren („in Tritt“ fallen) und dem umlaufenden Drehfeld folgen kann.

[[Datei:RotorVagatiSynRM.png|mini|Blechschnitt eines 4-poligen Synchron-Reluktanzmotors gemäß US-Patent von Vagati<ref>{{Patent|Erfinder=A. Vagati|Titel=Synchronous reluctance electrical motor having a low torque ripple design|Land=US|V-Nr=5818140|V-Datum=1998-10-06}}</ref>]]

In der magnetischen Vorzugsrichtung (d-Richtung) tritt ein geringer magnetischer Widerstand auf und der [[Magnetischer Fluss|magnetische Fluss]] wird im Eisen gut geführt. In einem 45°-Winkel dazu (q-Richtung) behindern die Luftsperren den magnetischen Fluss. Wird die Ständerwicklung bestromt, entstehen im Läufer Pole und Lücken. Folgt der Rotor synchron dem Statorfeld, sind seine Pole quasi über eine Feder (vgl. Federmodell im Artikel [[Polrad]]) mit den Polen des Drehfeldes verbunden. Bei Belastung bleibt der Läufer etwas zurück und es entsteht ein [[Polrad]]winkel, der bei Entlastung wieder verschwindet. Äquivalent eilt der Rotor im generatorischen Betrieb dem Statorfeld voraus. Die d- und q-Richtung des Läufers entsprechen den jeweiligen Achsen des durch die [[D/q-Transformation]] definierten Koordinatensystems. Über die D/q-Transformation können mittels der Statorströme die d- und q-Komponenten im Rotor bestimmt werden.

[[Datei:Drehmoment Brosch.png|mini|Drehmomenterzeugung]]

Im Bild auf der rechten Seite ist das Prinzip der Drehmomententstehung genauer gezeigt. Befindet sich ein Streifen Eisenblech in einem [[Magnetismus|Magnetfeld]], so versucht es sich in Richtung der Feldlinien zu drehen und eine energetisch möglichst günstige Position parallel zu den Feldlinien einzunehmen. Dreht man es aus dieser Position heraus, entsteht ein Drehmoment M. Gleiches passiert im Motor. Bei Belastung im Motorbetrieb bleibt das Polrad etwas hinter dem umlaufenden Drehfeld zurück und es entsteht der belastungsabhängige [[Polradwinkel]] δ (delta). Ist die Belastung zu groß, fällt der Motor „außer Tritt“ und bleibt stehen.

=== Drehmoment ===
Das [[Drehmoment]] M des Synchron-Reluktanzmotors lässt sich aus den Motordaten berechnen. Man erhält es zu:

:<math>M = k \left[ \frac{1}{L_q} - \frac{1}{L_d} \right] \Psi^2 \sin 2\delta</math>

mit der Motorkonstante ''k'', den Induktivitäten in q- und d-Richtung ''L''q und ''L''d, dem magnetischen Fluss ''Ψ'' und dem Polradwinkel ''δ''. Die Formel zeigt, dass das Verhältnis ''L''d/''L''q möglichst groß sein muss, um ein großes Drehmoment ''M'' zu erhalten.

Je besser also die Flussführungen in der d-Achse arbeiten und je stärker der Fluss in der q-Achse behindert wird, desto größer ist das Motordrehmoment.

== Vor- und Nachteile ==
Aufgrund der [[Massenträgheit]] des Rotors und der unbedingten synchronen Betriebsweise kann der Synchron-Reluktanzmotor (ohne Dämpferkäfig) nur mit einem Frequenzumrichter betrieben werden. Mit moderner Regelungstechnik ist die Drehzahlregelung heute auch ohne [[Resolver]] (Rotorlagegeber) möglich. Ein Nachteil sind somit die um die Kosten des Umrichters erhöhten Investitionskosten, die bei entsprechender Betriebsweise aber durch die erhöhte Effizienz kompensiert werden können. Die Ausfallwahrscheinlichkeit ist aufgrund des robusten Aufbaus gegenüber einer geregelten Asynchronmaschine nicht erhöht.
Beim Synchron-Reluktanz-Motor treten nahezu keine Verluste im Läufer auf. Dadurch hat er einen besseren Wirkungsgrad als herkömmliche Asynchronmotoren und aus diesem Grund auch eine geringere Wärmeentwicklung. Die Wicklungsverluste im Ständer sind wegen des höheren Magnetisierungsanteils im Ständer etwas höher. Durch die in Summe geringeren Verluste ist mit dem Motor die internationale Effizienzklasse IE4 bis IE5 erreichbar, deren genauer Verlauf über der Nennleistung im CD (Committee Draft) der IEC 60034-30 Ed. 2 festgelegt ist. Durch diese Eigenschaft haben Synchron-Reluktanzmotoren seit etwa 2009 erneut Bedeutung bei der Anwendung in sogenanntem [[Rotating Equipment]] (Pumpen, Lüfter, Kompressoren und Turbinen) erlangt.
Bei der Herstellung ist gegenüber permanentmagneterregten Synchronmotoren vorteilhaft, dass keine Magnetwerkstoffe auf Basis [[Seltene Erden|seltener Erden]] Verwendung finden, die von der europäischen Kommission im Rahmen ihrer „Rohstoffinitiative“ als besonders „kritische Metalle“ (siehe [[Liste der kritischen Rohstoffe]]) eingestuft wurden.<ref>Hintergrundpapier Seltene Erden, Stand Januar 2011, Öko-Institut e.V., Büro Berlin, Schicklerstraße 5–7, 10179 Berlin, [https://www.oeko.de/uploads/oeko/oekodoc/2011-001-de.pdf online] ([[PDF]]-Datei, 135 kB)</ref>

== Literatur ==
* Peter F. Brosch: In: ''Zeitschrift Elektrotechnik''- Ausg. Juni 2011, S. 36ff.
* {{Literatur |Autor=T. A. Lipo |Titel=Synchronous Reluctance Machines-A Viable Alternative for AC Drives? |Sammelwerk=Electric Machines & Power Systems |Band=19 |Nummer=6 |Datum=1991 |Seiten=659–671 |DOI=10.1080/07313569108909556}}
* {{Literatur |Autor=T.J.E. Miller, A. Hutton, C. Cossar, D.A. Staton |Titel=Design of a synchronous reluctance motor drive |Sammelwerk=IEEE Transactions on Industry Applications |Band=27 |Nummer=4 |Datum=1991-08 |Seiten=741–749 |DOI=10.1109/28.85491}}
* {{Literatur |Autor=I. Boldea, L. Tutelea, C.I. Pitic |Titel=PM-assisted reluctance synchronous motor/generator (PM-RSM) for mild hybrid vehicles: electromagnetic design |Sammelwerk=IEEE Transactions on Industry Applications |Band=40 |Nummer=2 |Datum=2004-04 |Seiten=492–498 |DOI=10.1109/TIA.2004.824434}}
* {{Literatur |Autor=M.-I. Lamghari-Jamal, J. Fouladgar, E.-H. Zaim, D. Trichet |Titel=A magneto-thermal study of a high-speed synchronous reluctance machine |Sammelwerk=IEEE Transactions on Magnetics |Band=42 |Nummer=4 |Datum=2006-04 |Seiten=1271–1274 |DOI=10.1109/TMAG.2006.871956}}
* T.A. Lipo, P. C. Krause, “Stability analysis of a reluctance synchronous machine,” IEEE Trans. Power Appl. Syst., Bd. PAS-86, Nr. 7, S. 825–834, Jul. 1967
* {{Literatur |Autor=A.J.O. Cruickshank, R.W. Menzies, A.F. Anderson |Titel=Axially laminated anisotropic rotors for reluctance motors |Sammelwerk=Proceedings of the Institution of Electrical Engineers |Band=113 |Nummer=12 |Datum=1966-12 |Seiten=2058–2060 |DOI=10.1049/piee.1966.0358}}
* {{Literatur |Autor=D. Platt |Titel=Reluctance motor with strong rotor anisotropy |Sammelwerk=IEEE Transactions on Industry Applications |Band=28 |Nummer=3 |Datum=1992-06 |Seiten=652–658 |DOI=10.1109/28.137453}}
* H{{Literatur |Autor=H. Hofmann, S.R. Sanders |Titel=High-speed synchronous reluctance machine with minimized rotor losses |Sammelwerk=IEEE Transactions on Industry Applications |Band=36 |Nummer=2 |Datum=2000-04 |Seiten=531–539 |DOI=10.1109/28.833771}}
* {{Patent | Erfinder = J. Kolehmainen | Titel = Rotor for electric machine| Land= FI|V-Nr=118940|Code=B1|V-Datum=2008-05-15}}
* {{Literatur |Autor=J. Kolehmainen, J. Ikaheimo |Titel=Motors With Buried Magnets for Medium-Speed Applications |Sammelwerk=IEEE Transactions on Energy Conversion |Band=23 |Nummer=1 |Datum=2008-03 |Seiten=86–91 |DOI=10.1109/TEC.2007.914331}}
* {{Literatur |Autor=J. Kolehmainen |Hrsg=Andrzej Krawczyk, Sławomir Wiak, Ivo Doležel |Titel=Machine with a rotor structure supported only by buried magnets |Sammelwerk=Advanced Computer Techniques in Applied Electromagnetics |Verlag=IOS Press |Datum=2008 |ISBN=978-1-58603-895-3 |Seiten=240–246 |Kommentar=Vortrag auf dem Int. Symp. Electromag. Fields Elect. Eng. (ISEF), Prague, Czech Republic, Sept. 2007 |DOI=10.3233/978-1-58603-895-3-240}}
* {{Literatur |Autor=X.B. Bomela, M.J. Kamper |Titel=Effect of stator chording and rotor skewing on average torque and torque ripple of reluctance synchronous machine |Sammelwerk=1999 IEEE Africon |Band=2 |Datum=1999 |Seiten=687–690 |DOI=10.1109/AFRCON.1999.821849}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Elektrische Maschine]]

Synchron-Reluktanzmotor - Versionsgeschichte

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