Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM)

Beim klassischen Synchronmotor wird das Magnetfeld im Rotor durch eine Erregerwicklung erzeugt. Strom fließt über Schleifringe in die Wicklung, ein Erregerfeld entsteht. Beim PMSM übernehmen Permanentmagnete diese Aufgabe. Keine Erregerwicklung, kein Erregerstrom, keine Schleifringe.

Diese eine Designentscheidung hat weitreichende Folgen. Der Rotor wird leichter, robuster und nahezu wartungsfrei. Die Erregerverluste fallen weg. Dafür kommt eine neue Schwierigkeit ins Spiel: Die Magnete sind teuer, temperaturempfindlich und lassen sich nicht abschalten.

Damit positioniert sich der PMSM zwischen drei Antriebstypen:

• klassisch erregter Synchronmotor – mit Erregerwicklung, oft große Industriemaschinen
• Asynchronmotor – Industriestandard, robust und günstig, aber mit Schlupf und Rotorverlusten
• BLDC-Motor – mechanisch sehr ähnlich, unterscheidet sich aber in der Bestromungsform

Der Stator gleicht dem eines Asynchron- oder klassisch erregten Synchronmotors: ein Blechpaket aus dünnen, gegeneinander isolierten Elektroblechen mit Nuten für die dreisträngige Drehstromwicklung. An die Wicklung gelegte Drehspannung erzeugt das umlaufende Magnetfeld im Statorbohrungsraum, das Drehfeld.

Der Rotor enthält die Permanentmagnete. Sie sind so angeordnet, dass abwechselnd Nord- und Südpole nach außen zeigen. Das Drehfeld des Stators wirkt auf diese festen Magnetpole wie eine drehende Magnetkupplung – die Pole werden mitgezogen.

Dahinter steckt ein einfacher physikalischer Effekt: Ungleichnamige Pole ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab. Das umlaufende Statorfeld zieht den Rotor in die energetisch günstigste Ausrichtung und gibt ihn nicht mehr los – der Rotor folgt dem Drehfeld.

Im stationären Betrieb läuft der Rotor exakt mit der Drehzahl des Drehfelds. Daher der Name Synchronmotor: Rotor und Drehfeld sind synchron, es gibt keinen Schlupf wie beim Asynchronmotor.

Die Drehmomentbildung lässt sich anschaulich vorstellen: Die Statorströme erzeugen ein Magnetfeld, das gegenüber dem Rotorfeld leicht voreilt. Diese Winkeldifferenz – der Polradwinkel – treibt den Rotor an. Steigt die Last, vergrößert sich der Polradwinkel, das Drehmoment wächst mit, bis zum Kippmoment.

Die Anordnung der Magnete im Rotor entscheidet wesentlich über die Eigenschaften des Motors. Zwei Grundformen haben sich durchgesetzt.

Surface-Mounted Permanent Magnet (SPM): Die Magnete sind außen auf dem Rotor angebracht – aufgeklebt oder mit einer Bandage gehalten. Sie sitzen direkt im Luftspaltbereich, das Magnetfeld tritt unmittelbar in den Stator über. Die Bauweise ist konstruktiv einfach und magnetisch günstig. Bei höheren Drehzahlen brauchen die Magnete eine Bandage – meist aus Faserverbund –, damit sie der Fliehkraft standhalten. SPM wird typischerweise für Servoantriebe mit moderaten Drehzahlen verwendet, wo ein lineares Drehmoment-Strom-Verhältnis gefragt ist.

Interior Permanent Magnet (IPM): Die Magnete liegen im Rotorblechpaket versenkt – in Taschen, V-Formationen oder mehrlagigen Anordnungen. Das macht den Rotor mechanisch deutlich robuster und ermöglicht höhere Drehzahlen. Zusätzlich entsteht ein Reluktanzmoment: Weil die magnetische Leitfähigkeit des Rotors in Längs- und Querrichtung unterschiedlich ist, zieht das Statorfeld den Rotor auch dann an, wenn man die Permanentmagnete gedanklich wegnehmen würde. Das Gesamtdrehmoment setzt sich aus dem Magnet- und dem Reluktanzanteil zusammen. IPM ist die typische Bauform für Traktionsantriebe in Elektrofahrzeugen, weil sie hohen Drehzahlbereich, Feldschwächung und kurzfristige Spitzendrehmomente verbindet.

Drei Werkstoffgruppen dominieren bei den heute eingesetzten Permanentmagneten:

Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) – höchste Energiedichte, hohe Remanenz, mittlere maximale Einsatztemperatur, je nach Sorte etwa 120 bis 200 °C. Standard für E-Mobilität und moderne Servoantriebe.

Samarium-Cobalt (SmCo) – geringere Energiedichte als NdFeB, dafür höhere Temperaturbeständigkeit, typischerweise bis um 300 °C. Eingesetzt in Hochtemperatur-Anwendungen, Luft- und Raumfahrt.

Ferritmagnete – günstig, robust, aber deutlich geringere Energiedichte. Verwendet in Kleinmotoren, Lüftern, einfacheren Antrieben.

Die detaillierten metallurgischen und magnetischen Eigenschaften – Remanenz, Koerzitivfeldstärke, Energiedichte – werden im Beitrag zu den Halbleiter- und Magnetwerkstoffen vertieft. Hier geht es um die unmittelbaren Folgen für den PMSM.

Irreversible Entmagnetisierung

Das größte Risiko im PMSM-Betrieb ist die irreversible Entmagnetisierung. Mit steigender Temperatur sinkt die Koerzitivfeldstärke der Magnete – ihr Widerstand gegen ein gegenwirkendes Feld nimmt ab. Trifft der Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungskurve in den Bereich, in dem die Kurve abknickt und nichtlinear wird, kippt der Magnet teilweise um und verliert dauerhaft an Stärke. Auch nach dem Abkühlen kehrt diese Magnetisierung nicht zurück. Der Motor verliert Drehmoment, der Wirkungsgrad fällt, im schlechten Fall ist der Antrieb Totalschaden.

Typische Auslöser sind:

• Überlast über längere Zeit – die Rotormagnete heizen sich auf
• Kühlungsausfall
• Hohe Statorströme im Feldschwächbetrieb mit gleichzeitig hoher Temperatur

Temperaturüberwachung in der Praxis

Deshalb wird die Motortemperatur konsequent überwacht. In den Statorwicklungen sitzen Temperatursensoren – häufig PT1000, KTY oder PTC-Drillinge. Sie melden ihre Werte an die Motorregelung oder direkt an den Frequenzumrichter. Wird die Grenztemperatur überschritten, fährt der Umrichter den Strom zurück oder schaltet den Antrieb ab. Die Sensoren messen die Wicklungstemperatur direkt. Die Rotortemperatur – kritisch für die Magnete – wird daraus über Modellrechnungen abgeleitet, weil ein direkter Sensor am drehenden Rotor zu aufwendig wäre.

Beim PMSM läuft der Rotor synchron zum Drehfeld. Die Drehzahl ergibt sich direkt aus der Frequenz der Statorspannung und der Polpaarzahl des Motors. Bevor es ans Rechnen geht, müssen zwei oft verwechselte Begriffe klar sein.

Polzahl und Polpaarzahl

Polzahl und Polpaarzahl sind nicht dasselbe.

Die Polzahl zählt alle magnetischen Pole, die der Rotor (oder das Drehfeld) hat – also alle Nordpole und alle Südpole zusammen. Sie wird mit 2p bezeichnet.

Die Polpaarzahl zählt die Paare aus je einem Nordpol und einem Südpol. Sie wird mit p bezeichnet.

Beispiel: Ein Rotor mit acht Magnetpolen – vier Nord- und vier Südpolen – hat eine Polzahl von 8 und eine Polpaarzahl von 4.

Für die Drehzahlformel zählt die Polpaarzahl p. Auf dem Typenschild des Motors steht je nach Hersteller die eine oder die andere Größe – manchmal nur „6-polig“, manchmal „p = 3″. Vor dem Einsetzen also genau prüfen, was angegeben ist. Eine Verwechslung führt zum doppelten oder halben Drehzahl-Ergebnis.

Die Synchrondrehzahl

Der Faktor 60 rechnet von Umdrehungen pro Sekunde auf Umdrehungen pro Minute um.

Damit ergeben sich für typische Polpaarzahlen bei 50 Hz Netzfrequenz folgende Synchrondrehzahlen:

Beim PMSM werden häufig höhere Polpaarzahlen verwendet als beim klassischen Asynchronmotor – Werte von 3 bis 6 sind typisch. Hohe Polpaarzahl bedeutet hohes Drehmoment bei kompakter Baugröße. Im Gegenzug muss der Frequenzumrichter bei gleicher Drehzahl eine entsprechend höhere Frequenz liefern.

Der PMSM lässt sich nicht direkt an das Drehstromnetz schalten. Der Grund liegt im synchronen Lauf selbst: Der Rotor müsste aus dem Stillstand sofort mit Netzdrehzahl mitrotieren – das schafft er nicht. Das schnell rotierende Drehfeld läuft am stehenden Rotor vorbei, ein nutzbares mittleres Drehmoment entsteht nicht. Der Motor brummt, der Rotor steht.

Deshalb ist beim PMSM ein Frequenzumrichter immer Pflicht. Er liefert eine Drehspannung, deren Frequenz aus dem Stand kontinuierlich hochgefahren wird. Das Drehfeld dreht zu Beginn so langsam, dass der Rotor mitkommt. Die Frequenz steigt rampenförmig auf den Sollwert, der Rotor läuft synchron mit.

Rotorlage erfassen

Damit das funktioniert, muss der Umrichter zu jedem Zeitpunkt wissen, wo der Rotor magnetisch steht. Andernfalls bekommt der Stator den falschen Stromzeiger – das Drehmoment bricht zusammen oder kehrt sich um. Es gibt zwei Wege:

Mit Sensor: Ein Lagegeber – meist ein Inkremental- oder Absolutwertgeber, in Servoantrieben oft ein Resolver – meldet die mechanische Rotorposition direkt an den Umrichter. Das ist robust und präzise, kostet aber Bauteil, Verkabelung und Montageaufwand.

Sensorlos: Der Umrichter berechnet die Rotorlage aus den gemessenen Statorströmen und Spannungen über ein internes Motormodell. Bei mittleren und hohen Drehzahlen funktioniert das zuverlässig. Bei Drehzahl null oder sehr niedrigen Drehzahlen wird es schwierig, weil das vom Rotor induzierte Signal fehlt – hier kommen spezielle Suchverfahren mit Testpulsen zum Einsatz.

Feldorientierte Regelung

Die heute dominierende Regelstruktur ist die feldorientierte Regelung (FOC, Field-Oriented Control). Sie zerlegt den Statorstrom über eine Koordinatentransformation in zwei Komponenten:

• den drehmomentbildenden Anteil – quer zum Rotorfeld
• den feldbildenden Anteil – in Richtung des Rotorfelds

Diese Trennung ermöglicht eine dynamische Drehmoment- und Drehzahlregelung wie beim Gleichstrommotor – schnell, präzise und gut beherrschbar. Im Detail wird die FOC im Beitrag zur Servoregelung behandelt.

Abgrenzung zum BLDC-Motor

Mechanisch sehen PMSM und BLDC fast identisch aus – Permanentmagnete im Rotor, Drehstromwicklung im Stator. Der Unterschied liegt in der Bestromung. Der PMSM erhält sinusförmige Ströme und läuft entsprechend ruhig. Der BLDC wird blockförmig kommutiert (jeweils zwei der drei Stränge führen Strom), das Drehmoment hat dadurch eine charakteristische Welligkeit. Im Beitrag zum BLDC- / EC-Motor ist das ausführlich beschrieben.

Aus dem bisher Beschriebenen ergeben sich die typischen Stärken und Schwächen des PMSM.

Vorteile:

• Hoher Wirkungsgrad, weil die Erregerverluste der Wicklung entfallen und die Rotorverluste – kein Strom im Rotor – minimal sind.
• Hohe Leistungsdichte – viel Drehmoment in kleinem Bauvolumen. Das ist der Hauptgrund für den Einsatz im Fahrzeugbau.
• Gutes Drehmoment-Trägheits-Verhältnis – der Motor reagiert schnell auf Sollwertänderungen, was ihn für Servoantriebe prädestiniert.
• Wartungsarm – keine Schleifringe, keine Bürsten, kein Erregerstromkreis.
• Ruhiger Lauf durch sinusförmige Bestromung, geringe Drehmomentwelligkeit bei guter Wicklungsauslegung.

Nachteile:

• Teure Magnete, besonders NdFeB mit seinen Bestandteilen aus Seltenen Erden. Preis und Verfügbarkeit hängen von wenigen Liefermärkten ab.
• Temperaturempfindlichkeit mit Risiko der irreversiblen Entmagnetisierung.
• Frequenzumrichter zwingend nötig – nicht netzbetriebsfähig. Höhere Investition für das gesamte Antriebssystem.
• Sicherheitsfrage bei drehendem, aber stromlosem Motor: Die Permanentmagnete induzieren weiterhin eine Spannung in die Statorwicklungen, die EMK (elektromotorische Kraft). Beim Schleppen eines stromlosen PMSM oder bei Servicearbeiten an einem rotierenden Antrieb liegt an den Klemmen eine Spannung an. Das muss schaltungstechnisch und arbeitssicher beherrscht werden.

Typische Anwendungen

In der E-Mobilität ist der PMSM, meist in IPM-Bauform, der Standard-Traktionsmotor in Pkw, leichten Nutzfahrzeugen und vielen Zweirädern. Hoher Wirkungsgrad bedeutet mehr Reichweite, hohe Leistungsdichte sorgt für einen kompakten Antriebsstrang.

In der Automatisierung dominiert der PMSM-Servoantrieb. Industrieroboter, CNC-Maschinen, Verpackungsmaschinen, Werkzeugmaschinen-Hauptspindeln – überall dort, wo präzise Position, kontrolliertes Drehmoment und schnelle Dynamik gefragt sind, ist der Servo-PMSM Standard.

Aufzüge mit getriebelosen Antrieben (Direct-Drive) verwenden PMSM mit hoher Polpaarzahl. Die Maschine sitzt direkt auf der Treibscheibe, läuft langsam und mit hohem Drehmoment. Das spart Getriebe, Platz und Wartung.

In Pumpen, Lüftern und Klimaanlagen lösen PMSM-Antriebe zunehmend die klassischen Asynchronmotoren ab, weil die strengeren Effizienzklassen (IE3, IE4, IE5) mit Asynchrontechnik nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind.