Komponenten wie Pumpen, Lüfter, Verdichter, Förderanlagen und Produktionsmaschinen werden bislang in der Regel vom allgegenwärtigen Induktions- oder Käfigläufermotor angetrieben. Servomotoren kommen nur da zum Einsatz, wo die Leistungsanforderungen die zusätzlichen Kosten rechtfertigen. Letztere basieren auf dem Prinzip der Permanentmagnetmotoren, die an sich nichts Neues sind. Was aber neu ist, ist die aufkommende Klasse der PM- oder bürstenlosen Wechselstrommotoren.

PM-Motoren verfügen in vielen Fällen über an den Rotor geklebte Ferritmagnete und übertreffen in der Regel den herkömmlichen Induktionsmotor um rund 25 % in Sachen Wirkungsgrad und Leistungsdichte (Verhältnis Leistung zu Volumen). Bei Verwendung leistungsstarker Neodym-Supermagnete ist die Leistung sogar um 50 bis 100 % besser als die eines Induktionsmotors.

Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) drehen synchron zur Netzfrequenz mit jedem Dreh­moment bis zur Lastgrenze des Motors. Der Rotor rotiert mit exakt ­derselben Drehzahl wie das durch die Stator­wick­lungen erzeugte Magnetfeld. Dies wirkt sich insbesondere in puncto ­dynamische Eigenschaften sowie bei der Drehzahlregelung positiv aus. Induktionsmotoren haben ­dagegen einen gewissen Schlupf von typischerweise 1 bis 3 %. Dreiphasige PMSM sind permanenterregt, das heißt, sie ­sprechen sehr gut auf Laständerungen an. Darüber hinaus haben sie eine hohe Überlastkapazität und sind so entsprechend robust und ‚genügsam‘, was die ­Wartung betrifft. Des Weiteren sind PMSM mit einem Stromsteller ausgestattet, der mittels Schaltströmen den Motor anlaufen lässt und dessen Drehmomentleistung steuert. Zwar kostet der Stromsteller zusätzlich, ­dafür bietet er aber die servo-ähnliche ­Kontrolle, die dem Induktionsmotor abgeht.

Ein weiterer Vorteil des PMSM ­gegenüber dem Induktionsmotor ist der typischerweise größere Drehzahlbereich. Als Faustregel gilt für PMSM ein Drehzahlbereich von 20:1 ohne ­Regelkreis beziehungsweise 2000:1 bei Regelung. Für den Drehzahlbereich spielt jedoch auch die Auswahl des Antriebs eine Rolle, so dass hier der Einzelfall zu betrachten ist. Nicht zuletzt sind die Verluste beim PMS-Motor um rund 15 bis 20 % geringer als bei Induktionsmotoren. Je nach Größe, Strompreis und Nutzungsintensität kann man beim PMS-Motor daher von einer Amortisationszeit zwischen drei und fünfzehn Monaten ausgehen.

Die Vorteile eines PMSM im Vergleich zu einem Induktionsmotor ­lassen sich demnach wie folgt zusammenfassen: höherer Wirkungsgrad, präzisere Drehzahlregelung, höhere Leistungsdichte und geringere Be­triebstemperatur (mit entsprechend höherer Lebensdauer von Lagern und Isolierung).

Die potenziellen ­Anwendungen

PMSM eignen sich für praktisch alle Anwendungen, bei denen derzeit ein Induktionsmotor seinen Dienst versieht, und außerdem für viele, bei denen noch große – sehr teure – Servomotoren zum Einsatz kommen. Insbesondere wenn es um hohe Wirkungsgrade geht – zum Beispiel bei Anwendungen unter Zentrifugallast mit veränderlicher Drehzahl wie Lüfter oder Pumpen –, bieten sich PMSM in besonderem Maße an.

In vielen Fällen kann der Austausch eines Induktionsmotors gegen einen PMSM gleichzeitig andere Antriebskomponenten wie Riemen, Ketten und Getriebe überflüssig machen. Der Gesamtwirkungsgrad steigt deutlich, während Anschaffungskosten, Bereitstellungszeit und Wartungsaufwand sinken. In der Regel sind PMS-Motoren so ausgelegt, dass sie Induktionsmotoren – sowohl IEC-Standard als auch NEMA – direkt ersetzen können.

Autor: Rick Munz ist Produktmanager beim Antriebstechnik-Hersteller Regal Beloit.