Reluktanzmotor

Relevante Energieformen

Endenergieform	Nutzenergieform	Nebenenergieform(en)
Elektrische Energie	Mechanische Energie	Wärme

Kurzbeschreibung

Im Gegensatz zu Synchron- und Asynchronmotoren erzeugen Reluktanzmotoren das Drehmoment rein aus der Reluktanzkraft. Dies entsteht durch das Bestreben des Systems nach dem minimalen magnetischen Widerstand (Reluktanz). Wie im rechten Bild zu sehen ist, liegen nicht alle Rotorzähne über allen Statorzähnen. Durch Zuschalten verschiedener Wicklungen entstehen geschlossene magnetische Kreise, die immer dann die geringste Induktivität / Reluktanz haben, wenn die betreffenden Statorzähne über den am nächsten liegenden Rotorzähnen stehen. Durch den ständigen Wechsel der Bestromung kann so ein Drehmoment bzw. eine Drehbewegung erzeugt werden.

Funktionsskizze

Ansicht Stator-Rotor

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

Wirkungsgrad im Motorbetrieb:

$\eta = \frac{{{E_{mech}}}}{{{E_{el}}}}$

Wirkungsgrad im Generatorbetrieb:

$\eta = \frac{{{E_{el}}}}{{{E_{mech}}}}$

Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Quotienten der abgegebenen und zugeführten Leistung. Die Differenz ist die Verlustleitung.

Die Verlustleistung ergibt sich zum größten Teil aus den Kupferverlusten des Stators für n Phasen mit dem Widerstand $R$ und dem effektiven Phasenstrom ${I_{eff}}$ :

${P_{vs}} = nRI_{eff}^2$ .

Die Rotorverluste ergeben sich im äquivalenten Ersatzschaltbild aus den quadrierten induzierten Strömen mal dem äquivalenten Rotorwiderstand.

${P_{vr}} = RI_{rotor,eff}^2$

Eisenverluste im Stator und Rotor können über die Steinmetzgleichung angenähert werden und sind sehr stark vom Herstellungsverfahren und der Geometrie abhängig.

${P_{ve}} = k{B^\alpha }{f^\beta }$

(Fischer 2006)

Typischerweise: 50- 98 %

Der Wirkungsgrad ist abhängig vom Arbeitspunkt und meistens etwas größer als von Asynchronmotoren:

„Effizienzsteigerung zwischen 0,6 % (220-kW-Motor) und 8 % (3 kW)“ (WEKA FACHMEDIEN GmbH 2011)

Bauarten

Unterbauformen

Synchron-Reluktanzmotor, Asynchronmotor und Synchronmotor mit Reluktanzmoment, geschaltete Reluktanzmaschine

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Reluktanzmotor
Typische Lastprofile	In Abhängigkeit der Regelungsvariante: konstant, taktend, kontinuierlich (Fischer 2006)
Maximale Schalthäufigkeiten	Dauerbetrieb (S1-Betrieb) (Fischer 2006)
Typische Anfahrzeiten	Mechanische Zeitkonstante (von einigen Millisekunden bis Sekunden je nach Aufbau) (Fischer 2006)
Mindestlaufzeiten	k. A.
Regelbarkeit	Stufenlos, aber verlustbehaftet (Fischer 2006)

Energetische Kennwerte

Bauart	Reluktanzmotor
Verfügbare Leistungsklassen	10 W bis 300 kW bei 3,15 bis 5,5 m3/min und 8,5 bar Druck
Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung	Abhängig vom System
Nutzbarer Anteil der Verlustleistung	Vernachlässigbar i. d. R.
Energieeffizienzklasse	IE 4, IES2 nach neuer Norm EN 50598 durch Abstimmung auf den Frequenzumrichter (Fischer 2006)

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Reluktanzmotor
Kosten / kWh	Einsparpotenzial gegenüber Asynchronmotoren (Weck; Brecher 2006)
€ Invest / kW	+ Günstig im Vergleich zu Synchronmotoren – Teurer als Asynchronmotoren (Bauform i. d. R. größer) (Fischer 2006)
Platzbedarf / kW	Geringe Drehmomentdichte (Fischer 2006)
Wartungs- und Instandhaltungskosten / kWh	Wartungsfrei (Fischer 2006)
Typische Lebensdauer / h	siehe Asynchronmotoren

Technologische Kennwerte

Bauart	Reluktanzmotor
Ökobilanz	+ Keine Emissionen, aber Verarbeitung von Kupfer und Eisen, Strom aus erneuerbaren Energien nutzbar
Gefährdungspotenzial	– Gering, Überlastschutz vorhanden, niedrige Temperaturen
Systemkomplexität	+ Robuste Bauweise, einfache Bedienung

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Energetischer Impact	Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger))
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
		Grad der Prozessentkopplung	Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess)
		Möglichkeit des Energieträgerwechsels	Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein)
		Umrüstaufwand	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Erschließungskosten der Maßnahme	Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden)
		Spezifische Wandlerkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Abrufkosten der Maßnahme	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)	sehr stark fallabhängig

Entwicklungstendenz

Für Bereiche mit größerem Bauraum ist eine deutliche Effizienzsteigerung mit Reluktanzmotoren zu beobachten.

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

Preisgünstig
Wartungsfrei

Nachteile

Hohe Anlaufströme
Aufwändige Regelung
Hohe Drehmomentwelligkeit

Anwendungsbeispiele

Reluktanzmotoren werden zum Teil schon in Pumpen eingesetzt.

Literaturverzeichnis

Fischer, R. (2006): Elektrische Maschinen. Hanser-Verlag
Spektrum Akademischer Verlag: Asynchronmotor: Lexikon der Physik. Online Verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
Spektrum Akademischer Verlag: Induktion: Lexikon der Physik. Online Verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
Weck, M.; Brecher, C. (2006): Werkzeugmaschinen 3: Mechatronische System, Vorschubantriebe, Prozessdiagnose. Springer-Verlag
WEKA FACHMEDIEN GmbH (2011) :Renaissance des Reluktanz-Prinzips. Online Verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht