Synchronmotor

Grundprinzip und Drehzahl

Ein Synchronmotor ist eine Synchronmaschine im Motorbetrieb. Sein Läufer (Rotor) besitzt ein konstantes Magnetfeld und wird vom bewegten magnetischen Drehfeld des Stators mitgenommen. Der Rotor bewegt sich synchron zur Wechselspannung. Seine Drehzahl ist über die Polpaarzahl mit der Frequenz der Wechselspannung verknüpft.

Anders als beim Asynchronmotor gibt es keinen Schlupf: Der Rotor läuft nicht dauerhaft langsamer als das Drehfeld. Unter Last läuft das Läufermagnetfeld dem Statormagnetfeld jedoch um den Polradwinkel nach. Dieser Winkel wächst mit der Belastung. Bei einem Winkel von 90° ist das maximale Drehmoment, das Kippmoment, erreicht; überschreitet das Lastmoment es, bleibt der Läufer stehen.

Erregung, Anlauf und Betrieb

Das Magnetfeld des Läufers entsteht entweder durch Permanentmagnete (Selbsterregung), etwa einen magnetisierten Ferrit-Zylinder, oder durch eine Feldspule mit elektromagnetischer Fremderregung. Bei fremderregten Maschinen wird der Strom über Schleifringe zum Läufer geführt.

Große Synchronmaschinen und batteriegespeiste Antriebe werden häufig mit einem Frequenzumrichter versorgt. Dieser liefert passend gesteuerten Wechselstrom und ermöglicht drehzahlvariable Antriebe großer Leistung. Netzbetriebene Motoren benötigen dagegen eine Anfahrhilfe: Das Statordrehfeld erreicht beim Einschalten sofort die Synchrondrehzahl, während der Rotor wegen seines Trägheitsmoments erst beschleunigen muss. Ein Anlaufkäfig, ein Kurzschlusskäfig im Läufer, lässt den Motor zunächst wie eine Drehstrom-Asynchronmaschine anlaufen. Nahe der Synchrondrehzahl wird der Erregerstrom eingeschaltet, sodass der Rotor in das Statordrehfeld gezogen wird.

Die Drehrichtung gibt das Statordrehfeld vor. Zum Umkehren werden zwei Phasen vertauscht. Jeder Synchronmotor kann außerdem als Synchrongenerator arbeiten. Permanenterregte Generatoren sind beispielsweise Fahrrad- und Motorrad-Lichtmaschinen; fremderregte werden in Kraftwerken, Stromaggregaten und als Auto-Lichtmaschinen eingesetzt.

Vorteile und Grenzen

Gegenüber kommutierten Gleichstrommotoren entfällt der Kommutator, der den Betriebsstrom führt. Bei fremderregten Synchronmotoren müssen nur die wesentlich geringere Erregerleistung über Schleifringe übertragen werden; bei permanenterregten Motoren entfallen auch diese. Dadurch verschleißen keine Bürsten und der Wirkungsgrad steigt.

Im Vergleich zum Asynchronmotor sind Drehzahl und Winkellage starr an die Betriebsfrequenz gekoppelt. Das ist für Stellantriebe und andere Anwendungen mit belastungsunabhängiger, stabiler Drehzahl vorteilhaft. Permanenterregte Synchronmotoren sind besonders bei kleinen Maschinen kompakter und effizienter als Asynchronmaschinen. Drehstrom-Synchronmotoren können zudem im Phasenschieberbetrieb arbeiten.

Ein Nachteil ist das schwierigere Selbstanlaufen am Drehstromnetz; ein zusätzlicher Kurzschlusskäfig kann dies ausgleichen. Ungleichmäßige Belastung oder Bestromung kann mechanische Drehschwingungen des Läufers verursachen. Sie führen zu ungleichmäßigem Drehmoment und können bis zur Überschreitung des Kippmoments reichen. Kurzschlusswindungen, etwa ein Kurzschlusskäfig oder Dämpferwicklungen um die Läuferpole, vermindern diese Schwingungen. Beim Umrichterbetrieb wird gewöhnlich zusätzlich die Rotorlage erfasst.

Ein- und zweiphasige Motoren

Einphasige Synchronmotoren benötigen zum Anlaufen eine Anlaufhilfe. Permanenterregte einphasige Motoren starten jedoch oft durch Schwingbewegungen selbst, dann in einer nicht festgelegten Richtung. Kleine Motoren können auch einen nicht magnetisierten, gezahnten Läufer und einen ebenfalls gezahnten Stator besitzen. Die Zähne konzentrieren das Magnetfeld; das Prinzip ähnelt dem Reluktanzmotor. Auch diese Bauform benötigt eine Starthilfe.

Miniaturmotoren für Synchronuhren laufen selbsttätig in der richtigen Richtung an. In den 1970ern und 1980ern erhielten sie für ruhigeren Lauf bis zu 25 Polpaare, also bis zu 50 Pole an Stator und Permanentmagnetläufer. Dadurch rotierten sie mit 120/min statt mit 3000/min. Heutige Motoren verwenden leichtere Läufer und Zahnräder mit kleinen Zähnen. Zähne und Lücken des Statorblechs erzeugen unterschiedlich starken Magnetfluss und ersetzen so komplementäre Pole; gemeinsam bestimmen sie die Polzahl des Permanentmagnetrotors.

Einphasige Motoren werden unter anderem in Synchron- und Tochteruhren, Schaltuhren, Waschmaschinen-Programmschaltern, Spiegelkugeln, Wasserpumpen, Mikrowellen-Drehtellern und bestimmten Schallplattenspielern eingesetzt. Zweiphasen-Synchronmotoren mit Hilfsphase ersetzen häufig weniger effiziente Kondensatormotoren. Sie haben besseres Anlaufverhalten und Anlaufdrehmoment als Einphasen-Synchronmotoren sowie eine festgelegte, umkehrbare Drehrichtung; Beispiele sind Pumpen- und Ventilantriebe.

Dreiphasenmotoren und BLDC

Dreiphasige Synchronmotoren werden dank geeigneter sensorloser leistungselektronischer Ansteuerungen zunehmend auch bei kleineren Leistungen eingesetzt, zum Beispiel als Stellantriebe. Sie bieten eine definierte Läuferstellung sowie hohe Dynamik, hohes Drehmoment und hohe Effizienz. Sie sind heute die wichtigste Realisierungsform elektrischer Fahrzeugantriebe.

Kleine permanenterregte Synchronmotoren mit schaltender Elektronik heißen oft bürstenlose Gleichstrommotoren, englisch Brushless direct current (BLDC). Die Spulenstränge des Stators werden über einen Vierquadrantensteller angesteuert. Die Elektronik zur Ansteuerung der Brücke ist ein geregelter Frequenzumrichter.