Reluktanzmotor

Ein Reluktanzmotor ist eine Bauform eines Elektromotors, bei dem der Rotor aus einem weichmagnetischen Material (z. B. Eisen) besteht und der Stator die Magnetspulen enthält.

Der Rotor ist weder mit Permanentmagneten bestückt noch bestromt. Er besitzt ausgeprägte Pole aus weichmagnetischem Material.

Grundprinzip

Ein lockeres Stück eines Kerns richtet sich nach den Feldlinien aus.

Die Bewegung kommt dadurch zustande, dass das System nach minimaler Reluktanz (auch magnetischer Widerstand) strebt. Als Modell kann man sich eine Ringkern-Spule vorstellen, bei der ein Schenkel lose ist (siehe Bild). Durch die Reluktanzkraft wird der lose Schenkel die Stellung anstreben, in der die Reluktanz ihr Minimum erreicht (also die Induktivität ihr Maximum erreicht). Im Reluktanzmotor bilden immer zwei Pole des Stators und zwei Pole des Rotors so einen „Ring“, indem sich der Rotor so stellt, dass die Reluktanz möglichst gering wird (also parallel zu den Feldlinien).

Eine alternative (etwas mathematischere) Betrachtungsweise ist, dass der Magnetfeld-Vektor, der den Rotor durchsetzt, in mehrere Komponenten zerlegt wird. Da der Rotor in Sättigung geht, werden die Teilvektoren nicht ihre volle „Länge“ erreichen, sondern nur ein Maximum, das in Richtung durch die Pole höher ist (wegen geringerer Reluktanz) als in andere Richtungen. Addiert man nun die so „verkürzten“ Komponenten vektoriell, so zeigt ihre vektorielle Summe in eine andere Richtung, als der ursächliche Feldvektor des Stators. Der Rotor dreht sich nun, bis die Vektoren in die gleiche Richtung zeigen.

Indem die Statorpole zeitlich versetzt magnetisiert werden, wirkt die Kraft immer in eine andere Richtung, und es kommt eine Rotation zustande.

Bauarten von Reluktanzmotoren

Schnitt durch einen geschalteten Reluktanzmotor

Man unterscheidet drei Arten von Reluktanzmotoren:

• Der Synchron-Reluktanzmotor hat einen bewickelten mehrphasigen Stator (Ständer) wie eine Asynchronmaschine. Der Rotor (Läufer) ist aber nicht rund, sondern weist ausgeprägte Pole auf. Er wird meist zusätzlich wie eine Asynchronmaschine mit einem Kurzschlusskäfig ausgerüstet und heißt dann Asynchronmotor mit Reluktanzmoment. Er läuft dann wie ein Asynchronmotor an bis in die Nähe der asynchronen Gleichgewichtsdrehzahl. Dann überwiegt der Reluktanzeffekt und der Rotor dreht sich synchron mit dem Drehfeld. So lässt sich auf einfache und relativ preisgünstige Weise ein mit der Statorfrequenz synchron laufender Drehstrommotor bauen. Drehfeld-Reluktanzmotoren weisen als Nachteile gegenüber Synchronmotoren und Asynchronmotoren einen geringeren Wirkungsgrad, eine geringere Kraftdichte und einen hohen Blindleistungsbedarf auf.
• Geschaltete Reluktanzmaschine (kurz SRM, von englisch: switched reluctance motor, auch SR-drive):^[1] Solche Reluktanzmotoren haben wie die anderen Typen eine unterschiedliche Anzahl ausgeprägter Zähne an Rotor und Stator. Die Statorzähne sind mit Spulen bewickelt, die abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Die Zähne mit den bestromten Wicklungen ziehen jeweils die nächstgelegenen Zähne des Rotors wie ein Elektromagnet an und werden abgeschaltet, wenn (oder kurz bevor) die Zähne des Rotors den sie anziehenden Statorzähnen gegenüberstehen. In dieser Position wird die nächste Phase auf anderen Statorzähnen eingeschaltet, die andere Rotorzähne anzieht. Im allgemeinen hat ein geschalteter Reluktanzmotor drei oder mehr Phasen. Es gibt aber auch Sonderbauformen mit nur zwei oder einer Phase. Um im richtigen Zeitpunkt umzuschalten, wird die Maschine in der Regel mit einem Rotorlagegeber versehen. Es gibt aber auch geberlose Steuerverfahren anhand des Statorstroms oder des Drehmomentes. Reluktanzmotoren dieser Bauart zeichnen sich durch hohe Robustheit und einen geringen Bauaufwand aus. Wie Asynchronmaschinen bilden sie im unbestromten Zustand bei Drehung kein Drehmoment aus. Eine Restmagnetisierung führt daher oft dennoch zu einem kleinen Rastmoment im stromlosen Zustand. Bei niedrigen Drehzahlen sind sie den Asynchronmaschinen bezüglich Drehmomentdichte aufgrund der hohen herstellbaren Polpaarzahlen überlegen, bei höheren deutlich unterlegen. Permanenterregten Synchronmaschinen sind sie diesbezüglich auf jeden Fall unterlegen.
• Reluktanz-Schrittmotor: Ein Reluktanz-Schrittmotor kann im Prinzip gleich wie ein geschalteter Reluktanzmotor aufgebaut sein. Er wird im Gegensatz zu diesem aber ohne Kenntnis der Rotorposition geschaltet, ist dadurch einfacher, aber weniger zuverlässig (Schrittverluste). Im Gegensatz zu anderen Schrittmotoren ist der Reluktanz-Schrittmotor nicht in der Lage, im unbestromten Zustand seine Position zu halten.

Anwendungsbereiche

Reluktanzmotoren eignen sich gut für mittelgroße Antriebe (Durchmesser von 100 bis 300 mm) mit geringen Einschaltzeiten. Durch ihren einfachen und robusten Aufbau (z. B. keine Rotorwicklungen oder Magnete) sind sie sehr gut geeignet für den Betrieb in rauen Umgebungen. Für kleine Motoren scheiden sie wegen zu geringer Kraftdichte und zu geringen Wirkungsgrades aus, und für große wegen zu geringer Energieeffizienz und zu hohen Blindleistungsbedarfs. Zurzeit sind Ausführungen bis zu 400 kW bekannt.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet für synchron laufende Reluktanzmotoren findet sich in der Textilindustrie zum synchronen Abspulen von Garn.

Geschaltete Reluktanzmotoren wurden in Hybridelektrokraftfahrzeugen als paralleler Hybridantrieb eingesetzt, weil sie im Gegensatz zu permanenterregten Motoren beim Antrieb durch den Benzinmotor verlustfrei laufen und im Gegensatz zu Asynchronmotoren vor allem im Anlauf kräftig und effizient sind.

Ein Vorteil synchron laufender wie geschalteter Reluktanzmotoren ist vor allem auch die kostengünstige Herstellung des Motors. Bei geschalteten Reluktanzmotoren ist allerdings die Steuerungselektronik aufgrund des hohen Blindleistungsbedarfs etwas teurer als bei anderen Motortechnologien. Durch die abnehmenden Preise für elektronische Komponenten sind sie dennoch inzwischen auch für die Verwendung in größeren Haushaltsgeräten (Waschmaschinen, Reinigungspumpen) attraktiv.

Literatur

• Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher, Dieter Jagla: Elektrotechnik, Industrieelektronik. Westermann, Braunschweig 2001, ISBN 3-14-221730-4.
• Hans-Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. In: Die Meisterprüfung. 4 Auflage. Vogel Verlag und Druck, Würzburg 1983, ISBN 3-8023-0725-9.
• Fachkunde Elektrotechnik. In: Europa-Fachbuchreihe: Für elektrotechnische Berufe. 18 Auflage. Verl. Europa-Lehrmittel, 1989, ISBN 3-8085-3018-9.

Weblinks/Einzelnachweise

 Commons: Switched reluctance machines – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Der Reluktanz-Schrittmotor

1. ↑ http://www.energie.ch/themen/industrie/antriebe/#Reluktanzmotor Vergleich Reluktanzmotor, Synchronmotor, Asynchronmotor