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Permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) – Eine Erfolgsgeschichte

PMSM

Wie alles begann – Die Geschichte der permanentmagneterregten Synchronmaschinen

Ein Laborexperiment von Michael Faraday im Jahre 1821, in dem er die Wechselwirkung zwischen einer elektrischen Wicklung und einem Permanentmagneten demonstrierte, bildet die Grundlage für unsere heutigen permanentmagneterregten Motoren. Seit dieser Entdeckung sind über 200 Jahre vergangen. Obwohl das Grundprinzip gleich geblieben ist, haben sich Aufbau, Materialien und Leistungsfähigkeit moderner permanentmagneterregter Synchronmaschinen stark weiterentwickelt. Zeit, sich die Bauformen und Unterschiede aktueller permanenterregter Synchronmaschinen einmal anzuschauen.

Unterschied SPM vs. IPM

Außen drauf? SPM. – Innen drin? IPM.

Ein wichtiges Unterscheidungskriterium bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) – häufig auch einfach PSM genannt – ist die Bauform des Rotors. Besonders entscheidend ist dabei die Position der Permanentmagnete im Rotor. Grundsätzlich lassen sich permanentmagneterregte Synchronmaschinen in zwei Bauarten unterteilen: Maschinen mit Oberflächenmagneten (SPM – Surface Permanent Magnet) und Maschinen mit vergrabenen Magneten (IPM – Internal Permanent Magnet). Diese konstruktiven Unterschiede wirken sich nicht nur auf die mechanische Auslegung der Maschine aus, sondern beeinflussen auch maßgeblich die magnetischen Eigenschaften und das Betriebsverhalten der permanentmagneterregten Synchronmaschinen.

Aufbau von PMSM

Aufbau und mechanische Eigenschaften
von permanentmagneterregten Synchronmaschinen

Der mechanische Aufbau des Rotors ist ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit und Drehzahlfestigkeit permanentmagneterregter Synchronmaschinen (PMSM). Besonders die Position der Permanentmagnete beeinflusst die mechanische Eigenschaften der Maschine.

Aufbau SPM

Bei Synchronmaschinen mit Oberflächenmagneten (SPM – Surface Permanent Magnet) stellt insbesondere die Klebeverbindung zwischen Magnet und Rotorblechpaket – abhängig von der geforderten Drehzahl – eine konstruktive Herausforderung dar. Um die Magnete zusätzlich gegen die hohen Fliehkräfte bei hohen Drehzahlen zu sichern, können sie durch eine Bandagierung gegen ein Abheben gesichert werden.

Aufbau IPM

Im Gegensatz dazu sind Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten (IPM – Internal Permanent Magnet) in der Regel deutlich drehzahlfester. Die Permanentmagnete befinden sich hierbei innerhalb des Rotorblechpakets in sogenannten Magnettaschen, wodurch sie mechanisch besser gegen Fliehkräfte geschützt sind. Die Auslegung des Rotors erfolgt häufig in einem iterativen, simulationsgestützten Entwicklungsprozess. Dabei wird das geeignete Elektroblechmaterial ausgewählt, um sowohl die erforderliche mechanische Festigkeit zu gewährleisten als auch eine plastische Verformung des Rotors durch hohe Fliehkräfte zuverlässig zu verhindern.

Magnetische Eigenschaften

Magnetische Eigenschaften von PMSM

Die unterschiedlichen Betriebscharakteristika von SPM- und IPM-Maschinen lassen sich am besten über den magnetischen Widerstand (Reluktanz) erklären. Der magnetische Widerstand ist innerhalb des Elektroblechs sehr gering, während er in Luft, Kupfer und in Permanentmagneten deutlich höher ist. Genau hieraus resultieren die Unterschiede zwischen SPM- und IPM-Maschinen.

Bei SPM-Maschinen (Surface Permanent Magnet) verläuft der magnetische Flussweg zwischen Rotorinnenradius und Luftspalt an jeder Winkelposition durch identisches Material. Im Gegensatz dazu ändert sich bei IPM-Maschinen (Internal Permanent Magnet) der Materialverlauf aufgrund der eingebetteten Magnete und Eisenbereiche je nach Winkelposition. Dadurch entstehen unterschiedliche magnetische Widerstände in Abhängigkeit von der Rotorstellung. Der Rotor strebt dabei stets in die Position, in der der magnetische Widerstand am geringsten ist. Dies erzeugt ein zusätzliches Reluktanzmoment, das neben dem Drehmoment der Permanentmagnete zur Verfügung steht. Genau diese Eigenschaft, dass neben dem Permanentmagnet auch ein “geometrisch bedingtes” (Reluktanz-) Moment zur Verfügung steht, schafft die Grundlage für eine wirksame Feldschwächung bei IPM Maschinen. Selbst wenn das Statorfeld gezielt gegen die Magnetwirkung „zurückgenommen“ wird, bleibt über das Reluktanzmoment weiterhin nutzbares Drehmoment verfügbar. Bei einer SPM bleibt der magnetische Widerstand hingegen über alle Winkel hinweg nahezu gleich, weshalb kein solches Reluktanzmoment erzeugt wird.
Praktisch bedeutet dies: bei SPM-Maschinen sind die Möglichkeiten zur Feldschwächung begrenzt, und daher eignen sie sich besonders für Anwendungen bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen. IPM-Maschinen lassen sich dagegen besser feldschwächen und profitieren dank ihrer innenliegenden, geschützten Magnete meist von geringeren Magnetverlusten.

PMSM von LTK

SPM oder IPM – Die richtige Wahl für Ihre Anforderung

Eine pauschale Festlegung, ob die IPM oder SPM Bauform vorteilhafter ist, lässt sich nicht treffen. Die optimale Wahl hängt immer von den spezifischen Anforderungen und Einsatzbedingungen ab. Ausgangspunkt jeder Auslegung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen sind die geforderten Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien für Kurzzeit- und Dauerbetrieb sowie die jeweils herrschenden Umgebungsbedingungen. 
Als erfahrener Hersteller von permanentmagneterregten Synchronmaschinen unterstützt Sie LTK vollumfassend: von der präzisen Definition der Anforderungen, über die digitale Entwicklung und Simulation bis hin zur fertigungsgerechten Umsetzung und Produktion. Ob als rotativer Servomotor oder als integraler Bestandteil unserer Linearaktuatoren – wir liefern maßgeschneiderte Lösungen für Ihre Anwendung! 
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Daniel Keller

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