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Den Blick auf Motoren zu verengen, für die die IE-Wirkungsgradklassen gelten, ist nicht sinnvoll

Synchron oder asynchron - das ist hier die Frage

21. Juni 2011, 17:39 Uhr | Andreas Knoll

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Für welche Anwendungen eignen sich Synchronmotoren?

Wie jede Art von Elektromotoren sind auch Synchronmotoren für ganz bestimmte Anwendungen prädestiniert: »Prinzipiell eignen sich permanenterregte Synchronmotoren für Servo-Anwendungen, die beispielsweise eine hohe Genauigkeit und Synchronität im Bewegungsablauf verschiedener Achsen erfordern, etwa für Druck- und Textilmaschinen«, erläutert Marcel Möller. »Die hohe Leistungsdichte der Synchronmotoren ermöglicht zudem eine kompaktere Bauweise als bei Asynchronmotoren, so dass sie beengten Verhältnissen in Maschinen entgegenkommen.« Für Wicklerapplikationen beispielsweise sei jedoch der geregelte Asynchronmotor eher geeignet, was an seiner besseren Feldschwächbarkeit bei konstanter Leistung liege.

Claus Wieder zufolge eignen sich permanentmagneterregte AC-Synchronmotoren für Maschinenbau-Anwendungen wie Werkzeugmaschinen, Spritzgießmaschinen und Portale, weil sie sich »durch ein deutlich besseres Dynamikverhalten, hohe Überlastfähigkeit, kompakte und leistungsdichte Bauweise, sehr gute Rundlaufeigenschaften und geräuschlosen Betrieb« auszeichnen. Johannes Sodermanns sieht besondere Vorteile bei dynamischen Applikationen wie dem Positionierbetrieb: »Wegen ihres geringen Trägheitsmoments werden sie klassisch im getakteten Betrieb eingesetzt; sie bieten mehr Dynamik beim Beschleunigen und Verzögern und verbrauchen erheblich weniger Energie als Asynchronmotoren«, führt er aus. Auch in Applikationen mit konstanter Drehzahl, in denen traditionell Asynchronmotoren zum Einsatz gekommen seien, werde die Servotechnik interessanter: »Die Kunden schauen zunehmend auf die Kosten über den kompletten Lebenszyklus, und die sprechen bei steigenden Energiekosten verstärkt für die Servotechnik.« Uwe Sigloch bezieht sich auf EC-Motoren (electronically commutated), auch als BLDC-Motoren (Brushless DC) bekannt, deren mechanischer Aufbau identisch mit dem ungedämpfter Synchronmotoren ist: »EC-Außenläufermotoren von ebm-papst eignen sich besonders für den Betrieb von Strömungsmaschinen wie Pumpen und Ventilatoren«, sagt er. Bei diesen Anwendungen sei die Dynamik nicht relevant. »EC-Innenläufermotoren bieten sich zudem für Applikationen in der allgemeinen Antriebstechnik an, besonders wenn es auf dynamisches Ansprechverhalten und gutes Positionierverhalten ankommt«, fährt er fort. »Dabei werden hochwertige Magnete beispielsweise aus Seltenerdmetallen eingesetzt.«

Vor- und Nachteile von Synchronmotoren

Außer der Energieeffizienz haben Synchronmotoren noch weitere Vorteile, aber auch Nachteile: »Synchronmotoren punkten besonders durch eine hohe Leistungsdichte, Dynamik und Überlastfähigkeit«, verdeutlicht Marcel Möller. »Zudem sind sie robust und in hoher Schutzart gebaut. Weil sie leicht regelbar sind, eignen sie sich vor allem für Anwendungen, in denen Präzision gefordert ist.« Ein Nachteil permanenterregter Synchronmaschinen sei der benötigte Überspannungsschutz für Netzausfälle bei hohen Drehzahlen. Darüber hinaus sei im Vergleich zu geregelten Asynchronmotoren die Feldschwächung bei konstanter Leistung aufwändiger bzw. nur eingeschränkt möglich.

Claus Wieder bringt in diesem Zusammenhang den höheren Preis der Synchronmotoren ins Spiel: »Permanentmagneterregte AC-Synchronmotoren sind keine Netzantriebe - sie müssen also über einen Frequenzumrichter betrieben werden«, sagt er. »Für den Frequenzumrichter-Betrieb ist meist auch ein Motorgeber erforderlich.« Diese Motorregelung ermögliche zwar im Vergleich zu Drehstrom-Asynchronmotoren eine deutlich bessere Performance. Ein Nachteil sei aber der bei AC-Synchronmotoren größere Aufwand an Material und zusätzlichen Komponenten, der zu einem höheren Preis führe. Johannes Sodermanns bestätigt dies: »Vorteile der Synchronmotoren sind ein kompakter Aufbau und eine hohe Dynamik«, führt er aus. »Nachteilig sind die höheren Herstellkosten, weil eine präzisere Fertigung nötig ist, und die höheren Materialkosten aufgrund der teuren Magnetwerkstoffe.«

Uwe Sigloch rechnet den EC-Motoren folgende Vorteile zu: »konstant hohes Moment, hohe Leistungsdichte, vorzügliche Steuerbarkeit, im Vergleich zu Asynchronmotor plus Frequenzumrichter immer im Vorteil.« Außerdem liege ein hoher Wirkungsgrad über einen breiten Drehzahlbereich an. »Allerdings bedürfen EC-Motoren immer einer Steuerelektronik und können deshalb in Anwendungen, die keine Drehzahlanpassung erfordern und eine geringe Laufzeit haben, kostenbedingte Nachteile zeigen«, schränkt er ein. »Ein Betrieb von zwei Motoren an einer Steuerelektronik ist nicht möglich. Jeder Motor benötigt eine eigene Ansteuerung.«

Wann können Synchronmotoren als Ersatz dienen?

Angesichts der Vor- und auch Nachteile von Synchronmotoren stellt sich die Frage, in welchen Fällen sie Asynchronmotoren sinnvoll ersetzen können. Auch dazu geben die Experten konkrete Antworten: »In allen Anwendungen, die eine lange Laufzeit und/oder eine bedarfsgerechte Drehzahlanpassung vorsehen«, stellt Uwe Sigloch klar.»In allen Applikationen, bei denen Drehstrom-Asynchronmotoren an ihre Leistungsgrenzen bezüglich Dynamik, Überlastfähigkeit, Drehzahlverstellung, Kompaktheit und Effizienz kommen«, formuliert Claus Wieder. Als Beispiel nennt er den Einsatz permanenterregter Synchronmotoren in Regal-Bediengeräten. Johannes Sodermanns sieht diese Motoren in Applikationen, bei denen Start-Stop-Betrieb sowie schnelle Beschleunigung und Verzögerung gefragt ist, »deutlich im Vorteil«, und betont andererseits: »Je mehr ein Motor im Dauerbetrieb läuft, desto mehr Energie verbraucht er und je früher lohnt sich der Einsatz von Synchronmotoren. Aus diesem Grund werden künftig immer mehr Anwendungen mit Synchronmotoren ausgestattet werden.« Marcel Möller zufolge sind die Anwendungsgebiete für permanentmagneterregte Motoren »vielseitig etwa in den Bereichen Druck, Robotik und Verpackung«. Auch in Förderanlagen, Extruderantrieben, Kleinwasserkraftanlagen oder Recycling-Maschinen kämen zunehmend Synchronmaschinen zum Einsatz.