Synchronmotor

Miniatur-Synchronmotor, der in Analoguhren verwendet wird. Der Rotor ist aus einem Permanentmagneten gefertigt. ⓘ

Kleiner Synchronmotor mit integriertem Untersetzungsgetriebe aus einem Mikrowellenherd ⓘ

Ein Synchron-Elektromotor ist ein Wechselstrommotor, bei dem die Drehung der Welle im eingeschwungenen Zustand mit der Frequenz des Versorgungsstroms synchronisiert ist; die Drehperiode entspricht genau einer ganzzahligen Anzahl von Wechselstromzyklen. Synchronmotoren enthalten mehrphasige Wechselstrom-Elektromagnete auf dem Stator des Motors, die ein Magnetfeld erzeugen, das sich im Takt der Schwingungen des Netzstroms dreht. Der Rotor mit Permanentmagneten oder Elektromagneten dreht sich im Gleichschritt mit dem Statorfeld und stellt somit das zweite synchronisierte Magnetdrehfeld eines Wechselstrommotors dar. Ein Synchronmotor wird als doppelt gespeist bezeichnet, wenn er sowohl am Rotor als auch am Stator mit unabhängig erregten mehrphasigen Wechselstrom-Elektromagneten ausgestattet ist. ⓘ

Der Synchronmotor und der Asynchronmotor sind die am weitesten verbreiteten Typen von Wechselstrommotoren. Der Unterschied zwischen den beiden Typen besteht darin, dass sich der Synchronmotor mit einer an die Netzfrequenz gekoppelten Drehzahl dreht, da er nicht auf die Strominduktion zur Erzeugung des Magnetfelds des Rotors angewiesen ist. Im Gegensatz dazu benötigt der Induktionsmotor Schlupf: Der Rotor muss sich etwas langsamer drehen als die Wechselstromschwankungen, um Strom in die Rotorwicklung zu induzieren. Kleine Synchronmotoren werden in Zeitsteuerungsanwendungen eingesetzt, z. B. in Synchronuhren, Zeitschaltuhren in Geräten, Tonbandgeräten und Präzisions-Servomechanismen, bei denen der Motor mit einer präzisen Drehzahl arbeiten muss; die Drehzahlgenauigkeit entspricht der Netzfrequenz, die in großen Verbundnetzen sorgfältig kontrolliert wird. ⓘ

Synchronmotoren gibt es in selbsterregten Größen für den Kleinstleistungsbereich bis hin zu industriellen Hochleistungsmotoren. Im kleinen Leistungsbereich werden die meisten Synchronmotoren dort eingesetzt, wo eine präzise konstante Drehzahl erforderlich ist. Diese Maschinen werden üblicherweise in analogen elektrischen Uhren, Zeitgebern und anderen Geräten verwendet, bei denen eine korrekte Zeitangabe erforderlich ist. In industriellen Größen mit höherer Leistung erfüllt der Synchronmotor zwei wichtige Funktionen. Erstens ist er ein hocheffizientes Mittel zur Umwandlung von Wechselstromenergie in Arbeit. Zweitens kann er mit voreilendem oder einheitlichem Leistungsfaktor arbeiten und dadurch eine Leistungsfaktorkorrektur bieten. ⓘ

Ein Synchronmotor ist eine Synchronmaschine im Motorbetrieb, bei der ein konstant magnetisierter Läufer (Rotor) synchron von einem bewegten magnetischen Drehfeld im Stator mitgenommen wird. Der laufende Synchronmotor hat eine zur Wechselspannung synchrone Bewegung. Die Drehzahl ist also über die Polpaarzahl mit der Frequenz der Wechselspannung verknüpft. ⓘ

Bewegungsschema eines Drehstrom-Synchronmotors. ⓘ

Typ

Synchronmotoren fallen unter die allgemeinere Kategorie der Synchronmaschinen, zu denen auch der Synchrongenerator gehört. Ein Generator arbeitet, wenn die Feldpole durch die Vorwärtsbewegung der Antriebsmaschine vor dem resultierenden Luftspaltfluss angetrieben werden. Motorische Wirkung wird beobachtet, wenn die Feldpole "durch das Bremsmoment einer Wellenlast hinter den resultierenden Spaltfluss gezogen werden". ⓘ

Es gibt zwei Haupttypen von Synchronmotoren, je nachdem, wie der Rotor magnetisiert wird: nicht erregte und gleichstromerregte Motoren. ⓘ

Nicht erregte Motoren

Einphasiger 60-Hz-Synchronmotor mit 1800 Umdrehungen pro Minute für Teletype-Maschinen, nicht erregter Rotortyp, hergestellt von 1930 bis 1955 ⓘ

Bei nicht erregten Motoren besteht der Rotor aus Stahl. Bei Synchrondrehzahl dreht er sich im Gleichschritt mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators, so dass er von einem nahezu konstanten Magnetfeld durchzogen wird. Das äußere Statorfeld magnetisiert den Rotor und erzeugt so die für die Drehung des Rotors erforderlichen Magnetpole. Der Rotor besteht aus einem Stahl mit hohem Rückstellvermögen, z. B. Kobaltstahl. Sie werden als Permanentmagnet-, Reluktanz- und Hysteresemotoren hergestellt: ⓘ

Reluktanzmotoren

Diese Motoren haben einen Rotor, der aus einem massiven Stahlgussstück mit vorstehenden (ausgeprägten) gezahnten Polen besteht. Normalerweise gibt es weniger Rotor- als Statorpole, um die Drehmomentwelligkeit zu minimieren und zu verhindern, dass sich alle Pole gleichzeitig ausrichten - eine Position, die kein Drehmoment erzeugen kann. Die Größe des Luftspalts im Magnetkreis und damit die Reluktanz ist am geringsten, wenn die Pole mit dem (rotierenden) Magnetfeld des Stators ausgerichtet sind, und nimmt mit dem Winkel zwischen ihnen zu. Dadurch entsteht ein Drehmoment, das den Rotor in die Ausrichtung mit dem nächstgelegenen Pol des Statorfeldes zieht. Bei Synchrondrehzahl ist der Rotor also mit dem rotierenden Statorfeld "verriegelt". Da der Motor so nicht anlaufen kann, sind in die Rotorpole in der Regel Käfigwicklungen eingebettet, um ein Drehmoment unterhalb der Synchrondrehzahl zu erzeugen. Die Maschine startet wie ein Induktionsmotor, bis sie sich der Synchrondrehzahl nähert, wenn der Rotor "anzieht" und sich mit dem rotierenden Statorfeld verbindet. ⓘ

Reluktanzmotoren haben Nennleistungen von wenigen Watt bis etwa 22 kW. Sehr kleine Reluktanzmotoren haben ein geringes Drehmoment und werden in der Regel für Instrumentierungsanwendungen eingesetzt. Motoren mit mittlerem Drehmoment und mehreren Pferdestärken verwenden Käfigläufer mit gezahnten Rotoren. Bei Verwendung eines Netzteils mit einstellbarer Frequenz können alle Motoren des Antriebssystems mit genau derselben Drehzahl gesteuert werden. Die Frequenz des Netzteils bestimmt die Betriebsdrehzahl des Motors. ⓘ

Hysteresemotoren

Diese Motoren haben einen massiven, glatten zylindrischen Rotor, der aus einem magnetisch "harten" Kobaltstahl mit hoher Koerzitivfeldstärke gegossen ist. Dieses Material hat eine große Hystereseschleife (hohe Koerzitivfeldstärke), d. h. sobald es in einer bestimmten Richtung magnetisiert ist, ist ein großes umgekehrtes Magnetfeld erforderlich, um die Magnetisierung umzukehren. Das rotierende Statorfeld bewirkt, dass jedes kleine Volumen des Rotors ein umgekehrtes Magnetfeld erfährt. Wegen der Hysterese hinkt die Phase der Magnetisierung der Phase des angelegten Feldes hinterher. Dies hat zur Folge, dass die Achse des im Rotor induzierten Magnetfelds um einen konstanten Winkel δ hinter der Achse des Statorfelds zurückbleibt und ein Drehmoment erzeugt, während der Rotor versucht, das Statorfeld "einzuholen". Solange sich der Rotor unterhalb der Synchrondrehzahl befindet, erfährt jedes Teilchen des Rotors ein sich umkehrendes Magnetfeld mit der "Schlupffrequenz", das es um seine Hystereseschleife herum antreibt, wodurch das Rotorfeld nacheilt und ein Drehmoment erzeugt. Im Rotor befindet sich eine 2-polige Stabstruktur mit geringer Reluktanz. Wenn sich der Rotor der Synchrondrehzahl nähert und der Schlupf auf Null geht, magnetisiert sich dieser und richtet sich auf das Statorfeld aus, wodurch der Rotor mit dem rotierenden Statorfeld "einrastet". ⓘ

Ein großer Vorteil des Hysteresemotors besteht darin, dass der Nacheilungswinkel δ unabhängig von der Drehzahl ist und er vom Anfahren bis zur Synchrondrehzahl ein konstantes Drehmoment entwickelt. Daher ist er selbstanlaufend und benötigt keine Induktionswicklung, um anzulaufen, obwohl viele Konstruktionen eine in den Rotor eingebettete leitende Käfigwicklungsstruktur haben, um ein zusätzliches Drehmoment beim Anlauf zu erzeugen. ⓘ

Hysteresemotoren werden in kleinen Leistungsklassen hergestellt, hauptsächlich als Servomotoren und Zeitsteuerungsmotoren. Hysteresemotoren sind teurer als Reluktanzmotoren und werden dort eingesetzt, wo eine präzise konstante Drehzahl erforderlich ist. ⓘ

Permanentmagnet-Motoren

Ein Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) verwendet in den Stahlrotor eingebettete Dauermagnete, um ein konstantes Magnetfeld zu erzeugen. Der Stator trägt Wicklungen, die an eine Wechselstromversorgung angeschlossen sind, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen (wie bei einem Asynchronmotor). Bei Synchrondrehzahl verriegeln sich die Rotorpole mit dem rotierenden Magnetfeld. Permanentmagnet-Synchronmotoren ähneln den bürstenlosen Gleichstrommotoren. Neodym-Magnete sind die am häufigsten verwendeten Magnete in diesen Motoren. In den letzten Jahren wurde jedoch aufgrund der starken Preisschwankungen bei den Neodym-Magneten viel über Ferrit-Magnete als Alternative geforscht. Aufgrund der inhärenten Eigenschaften der derzeit verfügbaren Ferritmagnete muss die Konstruktion des Magnetkreises dieser Maschinen in der Lage sein, den magnetischen Fluss zu konzentrieren; eine der gängigsten Strategien ist die Verwendung von Speichenrotoren. Derzeit haben die neuen Maschinen, die Ferritmagnete verwenden, eine geringere Leistungs- und Drehmomentdichte als die Maschinen, die Neodym-Magnete verwenden. ⓘ

Permanentmagnetmotoren werden seit dem Jahr 2000 als getriebelose Aufzugsmotoren eingesetzt. ⓘ

Die meisten PMSMs benötigen einen Antrieb mit variabler Frequenz, um zu starten. Einige verfügen jedoch über einen Käfigläufer im Rotor, der den Start übernimmt. Diese sind als netzstartende oder selbststartende PMSMs bekannt. Diese werden in der Regel als Ersatz für Asynchronmotoren mit höherem Wirkungsgrad eingesetzt (wegen des fehlenden Schlupfes), müssen aber sorgfältig für die Anwendung spezifiziert werden, um sicherzustellen, dass die Synchrondrehzahl erreicht wird und das System der Drehmomentwelligkeit während des Anlaufs standhält. ⓘ

Permanentmagnet-Synchronmotoren werden hauptsächlich mit direkter Drehmomentregelung und feldorientierter Regelung gesteuert. Diese Methoden leiden jedoch unter einer relativ hohen Drehmoment- und Statorflusswelligkeit. In jüngster Zeit wurden prädiktive Steuerungen und neuronale Netzsteuerungen entwickelt, um diese Probleme zu bewältigen. ⓘ

DC-erregte Motoren

Gleichstromerregter Motor, 1917. Der Erreger ist deutlich auf der Rückseite der Maschine zu erkennen. ⓘ

Diese Motoren werden in der Regel in größeren Größen hergestellt (größer als etwa 1 PS oder 1 Kilowatt) und benötigen zur Erregung Gleichstrom (DC), der dem Rotor zugeführt wird. Dies geschieht am einfachsten über Schleifringe, es kann aber auch eine bürstenlose AC-Induktions- und Gleichrichteranordnung verwendet werden. Der Gleichstrom kann von einer separaten Gleichstromquelle oder von einem direkt mit der Motorwelle verbundenen Gleichstromgenerator geliefert werden. ⓘ

Steuerungstechniken

Ein Permanentmagnet-Synchronmotor und ein Reluktanzmotor benötigen für ihren Betrieb ein Steuerungssystem (VFD oder Servoantrieb). ⓘ

Es gibt eine Vielzahl von Regelungsmethoden für PMSM, die je nach Konstruktion des Elektromotors und dem Anwendungsbereich ausgewählt werden. ⓘ

Die Regelungsmethoden können unterteilt werden in: Sinusförmig ⓘ

• Skalar
• Vektoriell (FOC, DTC) ⓘ

Trapezförmig ⓘ

• Offener Regelkreis
• Geschlossener Regelkreis (mit und ohne Hallsensor) ⓘ

Synchrondrehzahl

Die Synchrondrehzahl eines Synchronmotors ist gegeben:
in RPM, durch:

$N_{s}=60{\frac {f}{P}}=120{\frac {f}{p}}$

und in rad-s-1, durch:

$\omega _{s}=2\pi {\frac {f}{P}}=4\pi {\frac {f}{p}}$ ⓘ

wobei:

• $f$ die Frequenz des Versorgungsstroms in Hz ist,
• $p$ die Anzahl der Magnetpole ist.
• $P$ die Anzahl der Polpaare (seltener der Kommutierungsebenen) ist, $P=p/2$. ⓘ

Beispiele

Ein einphasiger, 4-poliger (2-poliger) Synchronmotor wird mit einer Netzfrequenz von 50 Hz betrieben. Die Anzahl der Polpaare ist 2, also ist die Synchrondrehzahl:

$N_{s}=60\times {\frac {50}{2}}=1500\,\,{\text{rpm}}$ ⓘ

Ein dreiphasiger, 12-poliger (6-poliger) Synchronmotor wird mit einer AC-Netzfrequenz von 60 Hz betrieben. Die Anzahl der Polpaare beträgt 6, die Synchrondrehzahl ist also gleich:

$N_{s}=60\times {\frac {60}{6}}=600\,\,{\text{rpm}}$ ⓘ

Die Anzahl der Magnetpole, $p$ist gleich der Anzahl der Spulengruppen pro Phase. Um die Anzahl der Spulengruppen pro Phase in einem 3-Phasen-Motor zu bestimmen, zählt man die Anzahl der Spulen und teilt sie durch die Anzahl der Phasen, die 3 beträgt. Die Spulen können sich über mehrere Nuten im Statorkern erstrecken, was das Zählen mühsam macht. Wenn Sie bei einem 3-Phasen-Motor insgesamt 12 Spulengruppen zählen, hat er 4 Magnetpole. Bei einer 12-poligen 3-Phasen-Maschine sind es 36 Spulen. Die Anzahl der Magnetpole im Rotor ist gleich der Anzahl der Magnetpole im Stator. ⓘ

Aufbau

Rotor einer großen Wasserpumpe. Die Schleifringe sind unterhalb der Rotortrommel zu sehen. ⓘ

Statorwicklung einer großen Wasserpumpe ⓘ

Die Hauptbestandteile eines Synchronmotors sind der Stator und der Rotor. Der Stator eines Synchronmotors und der Stator eines Asynchronmotors sind vom Aufbau her ähnlich. Mit Ausnahme der doppelt gespeisten Synchronmaschine mit gewickeltem Rotor enthält der Statorrahmen ein Wickelblech. An der Ummantelungsplatte sind umlaufende Rippen und Keilleisten angebracht. Um das Gewicht der Maschine zu tragen, sind Rahmenhalterungen und Fundamente erforderlich. Wird die Erregerwicklung mit Gleichstrom erregt, sind Bürsten und Schleifringe für den Anschluss an die Erregerspannung erforderlich. Die Erregung der Feldwicklung kann auch durch einen bürstenlosen Erreger erfolgen. Für bis zu sechs Pole werden zylindrische, runde Rotoren (auch bekannt als nicht ausgeprägte Polrotoren) verwendet. Bei einigen Maschinen oder wenn eine große Anzahl von Polen benötigt wird, wird ein Läufer mit ausgeprägten Polen verwendet. Der Aufbau eines Synchronmotors ist ähnlich wie der eines Synchrongenerators. Die meisten Synchronmotoren sind mit einem feststehenden Anker und einer rotierenden Feldwicklung ausgestattet. Diese Bauweise hat den Vorteil, dass der Anker bei Gleichstrommotoren rotierend ist. ⓘ

Betrieb

Das rotierende Magnetfeld wird durch die Summe der Magnetfeldvektoren der drei Phasen der Statorwicklungen gebildet. ⓘ

Der Betrieb eines Synchronmotors ist auf die Wechselwirkung der Magnetfelder von Stator und Rotor zurückzuführen. Seine Statorwicklung, die aus einer dreiphasigen Wicklung besteht, wird dreiphasig gespeist, und der Rotor wird mit Gleichstrom versorgt. Die dreiphasige Statorwicklung, die dreiphasige Ströme führt, erzeugt einen dreiphasigen magnetischen Drehfluss (und damit ein magnetisches Drehfeld). Der Rotor rastet in das magnetische Drehfeld ein und dreht sich mit ihm mit. Sobald das Läuferfeld in das magnetische Drehfeld einrastet, wird der Motor als synchronisiert bezeichnet. Eine einphasige (oder von einer einphasigen abgeleitete zweiphasige) Statorwicklung ist möglich, aber in diesem Fall ist die Drehrichtung nicht festgelegt und die Maschine kann in beiden Richtungen anlaufen, sofern dies nicht durch die Startvorrichtungen verhindert wird. ⓘ

Sobald der Motor in Betrieb ist, ist die Drehzahl des Motors nur noch von der Netzfrequenz abhängig. Wenn die Motorlast über die Ausfallslast hinaus erhöht wird, gerät der Motor aus dem Gleichlauf und die Feldwicklung folgt nicht mehr dem rotierenden Magnetfeld. Da der Motor kein (synchrones) Drehmoment erzeugen kann, wenn er aus dem Gleichlauf gerät, verfügen praktische Synchronmotoren über eine teilweise oder vollständige Käfigdämpferwicklung (Amortisseur), um den Betrieb zu stabilisieren und den Start zu erleichtern. Da diese Wicklung kleiner ist als die eines entsprechenden Asynchronmotors und sich bei längerem Betrieb überhitzen kann, und weil in der Läufererregerwicklung große Schlupffrequenzspannungen induziert werden, erkennen Synchronmotorschutzgeräte diesen Zustand und unterbrechen die Stromversorgung (Gleichlaufschutz). ⓘ

Anlaufverfahren

Ab einer bestimmten Größe sind Synchronmotoren keine selbstanlaufenden Motoren. Diese Eigenschaft ist auf die Trägheit des Rotors zurückzuführen; er kann der Drehung des Magnetfelds des Stators nicht sofort folgen. Da ein Synchronmotor im Stillstand kein durchschnittliches Drehmoment erzeugt, kann er ohne einen zusätzlichen Mechanismus nicht auf die Synchrondrehzahl beschleunigen. ⓘ

Große Motoren, die mit kommerzieller Netzfrequenz betrieben werden, verfügen über eine Kurzschlusswicklung, die ein ausreichendes Drehmoment für die Beschleunigung liefert und außerdem dazu dient, Schwingungen der Motordrehzahl im Betrieb zu dämpfen. Sobald sich der Rotor der Synchrondrehzahl nähert, wird die Erregerwicklung erregt, und der Motor zieht in den Gleichlauf. Sehr große Motorsysteme können einen "Pony"-Motor enthalten, der die unbelastete Synchronmaschine beschleunigt, bevor die Last angelegt wird. Elektronisch gesteuerte Motoren können durch Änderung der Frequenz des Statorstroms aus dem Stillstand heraus beschleunigt werden. ⓘ

Sehr kleine Synchronmotoren werden häufig in netzgespeisten mechanischen Uhren oder Zeitmessern verwendet, die die Netzfrequenz nutzen, um das Getriebe mit der richtigen Geschwindigkeit zu betreiben. Solche kleinen Synchronmotoren können ohne Hilfe anlaufen, wenn das Trägheitsmoment des Rotors und seiner mechanischen Last ausreichend klein ist, [weil der Motor] während eines beschleunigenden Halbzyklus des Reluktanzmoments von der Schlupfdrehzahl auf die Synchrondrehzahl beschleunigt wird". Einphasige Synchronmotoren, wie z. B. in elektrischen Wanduhren, können sich im Gegensatz zu einem Spaltpolmotor in beide Richtungen frei drehen. Siehe Spaltpol-Synchronmotor, um zu erfahren, wie eine gleichmäßige Anlaufrichtung erreicht wird. ⓘ

Die Betriebswirtschaftlichkeit ist ein wichtiger Parameter, um verschiedene Methoden des Motorstarts zu berücksichtigen. Dementsprechend ist die Erregung des Rotors ein möglicher Weg, um das Problem des Motorstarts zu lösen. Darüber hinaus beinhalten moderne vorgeschlagene Startmethoden für große Synchronmaschinen eine wiederholte Polaritätsumkehr der Rotorpole während des Starts. ⓘ

Anwendungen, besondere Eigenschaften und Vorteile

Verwendung als Synchronkondensator

V-Kurve einer Synchronmaschine ⓘ

Durch Variation der Erregung eines Synchronmotors kann dieser mit einem nacheilenden, einem voreilenden und einem einheitlichen Leistungsfaktor betrieben werden. Die Erregung, bei der der Leistungsfaktor gleich eins ist, wird als normale Erregerspannung bezeichnet. Die Stromstärke bei dieser Erregung ist minimal. Eine Erregungsspannung, die über der Normalerregungsspannung liegt, wird als Übererregungsspannung, eine Erregungsspannung, die unter der Normalerregungsspannung liegt, als Untererregung bezeichnet. Wenn der Motor übererregt ist, ist die Gegen-EMK größer als die Klemmenspannung des Motors. Dies führt zu einem Entmagnetisierungseffekt aufgrund der Ankerreaktion. ⓘ

Die V-Kurve einer Synchronmaschine zeigt den Ankerstrom als Funktion des Feldstroms. Mit steigendem Feldstrom nimmt der Ankerstrom zunächst ab, erreicht dann ein Minimum und steigt dann wieder an. Der Minimalpunkt ist auch der Punkt, an dem der Leistungsfaktor gleich eins ist. ⓘ

Diese Fähigkeit zur selektiven Steuerung des Leistungsfaktors kann zur Korrektur des Leistungsfaktors des Stromnetzes, an das der Motor angeschlossen ist, genutzt werden. Da die meisten Stromversorgungssysteme jeglicher Größe einen nacheilenden Leistungsfaktor aufweisen, wird durch das Vorhandensein von übererregten Synchronmotoren der Nettoleistungsfaktor des Systems näher an den Wert Eins gebracht, was den Wirkungsgrad verbessert. Eine solche Leistungsfaktorkorrektur ist in der Regel ein Nebeneffekt von Motoren, die bereits im System vorhanden sind, um mechanische Arbeit zu leisten, obwohl Motoren auch ohne mechanische Last betrieben werden können, nur um eine Leistungsfaktorkorrektur zu erreichen. In großen Industrieanlagen wie z. B. Fabriken kann die Wechselwirkung zwischen Synchronmotoren und anderen, nacheilenden Lasten bei der elektrischen Auslegung der Anlage ausdrücklich berücksichtigt werden. ⓘ

Stabilitätsgrenze im stationären Zustand

$\mathbf {T} =\mathbf {T} _{\text{max}}\sin(\delta )$ ⓘ

wobei,

$\mathbf {T}$ das Drehmoment ist

$\delta$ ist der Drehmomentwinkel

$\mathbf {T} _{\text{max}}$ das maximale Drehmoment ist ⓘ

hier,

$\mathbf {T} _{\text{max}}={\frac {{\mathbf {3} }{\mathbf {V} }{\mathbf {E} }}{{\mathbf {X_{s}} }{\omega _{s}}}}$ ⓘ

Wenn eine Last aufgebracht wird, vergrößert sich der Drehmomentwinkel $\delta$ größer. Wenn $\delta$ = 90° ist das Drehmoment maximal. Wird der Motor weiter belastet, verliert er seinen Gleichlauf, da das Motordrehmoment geringer ist als das Lastdrehmoment. Das maximale Lastmoment, das auf einen Motor aufgebracht werden kann, ohne dass er seinen Gleichlauf verliert, wird als Stabilitätsgrenze eines Synchronmotors bezeichnet. ⓘ

Andere

Synchronmotoren eignen sich besonders für Anwendungen, die eine präzise Drehzahl- oder Positionsregelung erfordern:

• Die Drehzahl ist über den gesamten Betriebsbereich des Motors unabhängig von der Last.
• Geschwindigkeit und Position können mit Hilfe von Steuerungen (z. B. Schrittmotoren) genau geregelt werden.
• Zu den Anwendungen mit geringem Stromverbrauch gehören Positioniermaschinen, bei denen eine hohe Präzision erforderlich ist, und Roboteraktuatoren.
• Sie halten ihre Position, wenn ein Gleichstrom sowohl an die Stator- als auch an die Rotorwicklungen angelegt wird.
• Eine von einem Synchronmotor angetriebene Uhr ist im Prinzip genauso genau wie die Netzfrequenz ihrer Stromquelle. (Obwohl es im Laufe einiger Stunden zu kleinen Frequenzabweichungen kommt, passen die Netzbetreiber die Netzfrequenz in späteren Perioden aktiv an, um sie auszugleichen, so dass motorbetriebene Uhren genau bleiben; siehe Netzfrequenz#Stabilität).
• Plattenspieler-Plattenspieler
• Erhöhter Wirkungsgrad bei Anwendungen mit niedriger Drehzahl (z. B. Kugelmühlen). ⓘ

Untertypen

• AC Mehrphasen-Synchronmotoren
• Schrittmotor (kann synchron oder nicht synchron sein)
• Synchrone bürstenlose elektrische Maschine mit beidseitig gespeistem Rotor ⓘ

Aufbau und Funktion

Das Feld im Läufer wird durch Permanentmagnete (Selbsterregung, z. B. magnetisierter Ferrit-Zylinder als Läufer) oder elektromagnetische Fremderregung (mit Feldspule auf dem Läufer, Stromzufuhr über Schleifringe) erzeugt. Die Statorspulen werden insbesondere bei großen Synchronmaschinen manchmal durch einen Frequenzumrichter mit einem passenden, gesteuerten Wechselstrom betrieben. Damit sind drehzahlvariable Antriebe großer Leistung realisierbar. ⓘ

Im Normalbetrieb tritt beim Synchronmotor kein Schlupf auf. Bei Belastung eilt das Läufermagnetfeld dem Statormagnetfeld um einen bestimmten Winkel (Polradwinkel) nach, welcher mit steigender Belastung zunimmt. Das ist aber nur bis zu einem maximalen Moment möglich, bei dem der Winkel 90° beträgt. Wenn das Lastmoment dieses Kippmoment überschreitet, dann bleibt der Läufer stehen. ⓘ

Beim Einschalten rotiert das Statordrehfeld sofort mit der Synchrondrehzahl. Der Läufer braucht jedoch aufgrund seines Trägheitsmoments etwas Zeit zur Beschleunigung. Daher braucht ein Synchronmotor eine Anfahrhilfe, z. B. einen Anlaufkäfig. Das ist ein Kurzschlusskäfig im Läufer, durch den der Motor als Drehstrom-Asynchronmaschine bis zur Synchrondrehzahl anläuft. Erreicht der Läufer annähernd die Synchrondrehzahl, wird der Erregerstrom der Läuferwicklung eingeschaltet, damit der Rotor in das rotierende Statordrehfeld hineingezogen wird. ⓘ

Die Motordrehrichtung ist durch das Statordrehfeld vorgegeben, für einen Richtungswechsel müssen zwei Phasen vertauscht werden. ⓘ

Jeder permanenterregte Synchronmotor kann auch als Synchrongenerator arbeiten. Beispiele sind Fahrrad- und Motorrad-Lichtmaschinen. Fremderregte Synchronmaschinen werden in Kraftwerken, Stromaggregaten und als Auto-Lichtmaschine eingesetzt. ⓘ

Synchronmotoren können mit Einphasen-Wechselstrom oder mit Drehstrom (siehe hierzu Drehstrom-Synchronmaschine) betrieben werden. Seltener findet man auch zweiphasige Synchronmotoren. ⓘ

Vor- und Nachteile

Ein Vorteil von Synchronmotoren gegenüber kommutierten Gleichstrommotoren ist der Wegfall des den Betriebsstrom führenden Kommutators – es muss lediglich die wesentlich geringere Erregerleistung mit Schleifringen zum Läufer übertragen werden; bei permanenterregten Motoren entfallen auch diese. Dadurch entfällt der Verschleiß der Bürsten, und der Wirkungsgrad steigt. ⓘ

Ein Vorteil des Synchronmotors gegenüber dem Asynchronmotor ist die starre Kopplung der Drehzahl und der Winkellage an die Betriebsfrequenz. Daher eignen sich Synchronmotoren für Stellantriebe und andere Anwendungen, bei denen eine belastungsunabhängige, stabile Drehzahl gefordert ist. Außerdem sind permanenterregte Synchronmotoren insbesondere für kleinere Maschinen kompakter und effizienter als Asynchronmaschinen. Mit einem Drehstrom-Synchronmotor ist zudem der Phasenschieberbetrieb möglich. Nachteilig ist der schwierigere Selbstanlauf am Drehstromnetz. Eine Möglichkeit, diesen Nachteil zu vermeiden, ist die Installation eines zusätzlichen Kurzschlusskäfigs im Läufer, so dass der Motor als Asynchronmotor anlaufen kann. ⓘ

Typisch für Synchronmotoren sind unerwünschte mechanische Drehschwingungen des Läufers, die durch ungleichmäßige Belastung oder Bestromung erregt werden können. Sie können bis zur Überschreitung des Kippmoments führen und bewirken ein ungleichmäßiges Drehmoment. Sie werden mit Kurzschlusswindungen (Kurzschlusskäfig oder Dämpferwicklungen um die Läuferpole) vermieden. Für den Betrieb am Umrichter wird gewöhnlich die Rotorlage erfasst. ⓘ

Einphasige Synchronmotoren

Synchronmotor mit Getriebe (Drehteller-Antrieb eines Mikrowellenherdes), Durchmesser 50 mm ⓘ

Einphasige Synchronmotoren benötigen eine Anlaufhilfe, um „Schritt zu fassen“, permanenterregte einphasige Motoren laufen jedoch oft durch Schwingbewegungen von selbst in einer undefinierten Richtung an. Beispiele dafür sind kleine Wasserpumpen (Laugenpumpen und Aquariumpumpen) und Zitronenpressen. ⓘ

Für kleine Antriebe gibt es auch Synchronmotoren, deren Läufer nicht magnetisiert sind und Zähne zur Konzentration des magnetischen Feldes des (ebenfalls gezahnten) Stators aufweisen. Diese gleichen im Prinzip den Reluktanzmotoren. Sie benötigen ebenfalls eine Starthilfe. ⓘ

Synchronmotor einer mechanischen Schaltuhr ⓘ

Miniaturisierte Synchronmotoren für Synchronuhren sind klein und laufen in die richtige Richtung selbsttätig an. In den 1970ern und 1980ern wurden die Motoren zur Erhöhung der Laufruhe mit bis zu 25 Polpaaren ausgestattet. Stator wie auch der Permanentmagnetläufer weisen darum bis zu 50 Pole auf. Sie rotierten mit nur 120/min anstatt mit 3000/min. Heutige Synchron-Uhrenmotoren haben einen leichteren Läufer und leichtere Zahnräder mit kleinen Zähnen, um die Laufruhe zu verbessern. Obwohl die Erregerwicklung nur ein Polpaar erzeugt, bewirken Zähne und Lücken im Statorblech unterschiedlich starken Magnetfluss, der ausreichend unterschiedlich ist, um echte komplementäre Pole zu ersetzen. Darum ergeben Zähne und Lücken zusammen die Anzahl der Pole im Permanentmagnetrotor. ⓘ

Einphasen-Synchronmotoren finden sich in einer Vielzahl kleiner Antriebe, bei denen es auf konstante Drehzahl oder einfache Bauweise ankommt:

• Synchron- und Tochteruhren (an die Netzfrequenz gekoppelte große Zeigeruhren)
• Schaltuhren, Programmschalter in Waschmaschinen und Zeitschalter
• Antriebe von Spiegelkugeln
• Aquarium- und Zimmerspringbrunnen-Wasserpumpen
• Laugenpumpen in Waschmaschinen (diese waren früher Spaltpolmotoren)
• Drehtellerantriebe in Mikrowellenherden
• Schallplattenspieler mit Reibrad- sowie bauartabhängig mit Riemenantrieb ⓘ

Zweiphasen-Synchronmotoren mit Hilfsphase

Zweiphasen-Synchronmotoren werden häufig als Ersatz für die weniger effizienten Kondensatormotoren verwendet. Sie haben ein besseres Anlaufverhalten und Anlaufdrehmoment als Einphasen-Synchronmotoren und gestatten eine definierte Drehrichtung und eine Drehrichtungsumkehr. Einsatzbeispiele sind:

• Pumpenantriebe
• Ventilantriebe ⓘ

Dreiphasen-Synchronmotoren

Dreiphasige Synchronmotoren finden mit der Entwicklung geeigneter sensorloser leistungselektronischer Ansteuerung auch zunehmend Anwendung bei kleineren Leistungen, zum Beispiel als Stellantriebe. Sie besitzen den Vorteil einer definierten Läuferstellung bei hoher Dynamik, hohem Drehmoment und hoher Effizienz. Sie bilden heute die wichtigste Realisierungsform von elektrischen Fahrzeugantrieben. ⓘ

Bürstenlose Gleichstrommotoren

Kleine permanenterregte Synchronmotoren mit einer schaltenden Elektronik werden oft als bürstenlose Gleichstrommotoren, englisch Brushless direct current mit der Abkürzung BLDC, bezeichnet. Die Spulenstränge des Stators werden über einen Vierquadrantensteller angesteuert. Die Elektronik zur Ansteuerung der Brücke ist ein geregelter Frequenzumrichter. ⓘ