Der permanenterregte Synchronmotor mit Oberflächenmagneten, auch SPM-Motor genannt, hat in den letzten Jahrzehnten in vielen Bereichen der Automatisierung den Asynchronmotor verdrängt. Verhältnismäßig neu dagegen ist der Siegeszug des IPM-Motors. Im Gegensatz zum SPM-Motor, bei dem die Permanentmagnete auf der Rotoroberfläche montiert sind, werden bei ihm die Magnete im Rotor integriert.
Vorteile und Abhängigkeiten
Der IPM-Motor erreicht topologiebedingt – verglichen mit dem SPM-Motor – höhere Motorinduktivitäten, was für den Betrieb an modernen Frequenzumrichtern vorteilhaft ist. Wegen der höheren Motorinduktivität lässt sich über den Frequenzumrichter auch der oft erforderliche Feldschwächbereich besser darstellen. Zudem werden umrichterbedingte Zusatzverluste in den Magneten 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 konstant, verhält sich das beim IPM-Motor anders (Ld<Lq). Ld und Lq sind hier 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
Der Induktivitätsunterschied Ld<Lq birgt einen topologischen Vorteil: Dabei kann ein zusätzliches Drehmoment mithilfe gezielt eingebrachter Aussparungen im Rotorblech genutzt werden. Die Aussparungen sorgen dafür, dass sich der Rotor bei einem externen magnetischen Feld in die Position mit der höchsten magnetischen Leitfähigkeit dreht. Das zusätzliche Drehmoment ist das Reluktanzmoment und kann ohne eine Phasenstromerhöhung oder Magnete gewonnen werden. Gleichzeitig lässt sich Magnetmaterial einsparen. Um das Reluktanzmoment nutzen zu können, wird nach der Drehmomentformel ein zusätzlicher negativer d-Strom (Id) benötigt, der sich 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 (Ld<Lq) ergibt sich mit dem negativen d-Strom ein positives Drehmoment. So bleiben die strombedingten Kupferverluste durch den Statorstrom IS konstant, wobei das Drehmoment in der Maschine steigt. Bei den SPM-Motoren beträgt der Stromwinkel immer konstant 90°, da Lq=Ld ist. Allerdings erfordert der IPM-Motor gegenüber dem SPM-Motor regelungstechnisch mehr Aufwand im Frequenzumrichter. Die vielen Abhängigkeiten des IPM-Motors können nur optimal geregelt und ausgenutzt werden, wenn vom Motorhersteller betriebspunktabhängige Motordaten vorliegen. Denn Fehler in den Motordaten sind aufgrund der Abhängigkeiten der einzelnen Parameter voneinander ansonsten kaum identifizierbar.
Regelstrategie für Motorenhersteller
„Um den IPM-Motor optimal zu regeln, bedarf es einer ausgeklügelten Strategie“, erklärt Rolf Gerhardt, Leiter Vertrieb Antriebselektronik bei Sieb & Meyer. Nur so lasse sich in jedem Arbeitspunkt ein Maximum an Effizienz und Drehmoment erreichen. Viele Standardumrichter begnügen sich damit, den notwendigen Winkel für einen Arbeitspunkt bei Volllast zu ermitteln, der dann auch im Teillastbetrieb aufrechterhalten wird. Das jedoch führt zu deutlich erhöhten Motorströmen bzw. nicht optimalen Stromwinkeln. So wird zu viel Phasenstrom für das gleiche Drehmoment benötigt, was sich wiederum in einer erhöhten Statortemperatur auswirkt. Alternativ wird weniger Drehmoment erzeugt, als der IPM-Motor bei diesem umrichtergestellten Phasenstrom real leisten könnte.
Umrichterbaureihe SD4S
„Nicht zuletzt sollte die Abhängigkeit der Motorinduktivität von Strom und Frequenz bedacht werden“, erläutert Gerhardt. Insbesondere die Induktivitäten Ld und Lq stehen dabei im Fokus. Nur die Berücksichtigung der Abhängigkeit optimiert den Wirkungsgrad und verhindert Fehlwinkel und unnötige Verlustleistungen. Die Umrichterbaureihe SD4S berücksichtigt alle genannten Anforderungen. Die Abhängigkeiten werden durch spezielle Regelstrukturen erfasst und im jeweiligen Arbeitspunkt optimal geregelt, sodass sich immer das optimale Moment bei geringstem Motorstrom ergibt. Die Verluste im Motor und Umrichter werden minimiert, was die Energiebilanz verbessert, den Magnetmaterialeinsatz reduziert und zudem CO2-Reduzierungen mit sich bringt. Die Bedien- und Parametriersoftware Drivemaster4 – Schaltzentrale der Frequenzumrichter-Familie – ermöglicht alle erwähnten Einstellungen für den optimalen Betrieb des IPM-Motors.
