Wirkungsgrad der Synchronmaschine: Kennfeld, Verluste und Betriebsbereiche

Einleitung

Synchronmaschinen werden in vielen modernen elektrischen Antrieben eingesetzt, unter anderem in Elektrofahrzeugen, Industrieantrieben und hochdrehenden Sonderanwendungen. Ein wesentlicher Grund dafür ist ihr hoher Wirkungsgrad in vielen Betriebspunkten.

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie effizient eine elektrische Maschine Energie umwandelt. Im Motorbetrieb wird elektrische Leistung in mechanische Leistung umgewandelt. Im Generatorbetrieb ist es umgekehrt: mechanische Leistung wird in elektrische Leistung zurückgeführt, zum Beispiel bei der Rekuperation in einem Elektrofahrzeug.

Für die Bewertung einer Synchronmaschine reicht ein einzelner Wirkungsgradwert jedoch nicht aus. Entscheidend ist das Wirkungsgradkennfeld. Es zeigt, wie effizient die Maschine bei unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomenten arbeitet.

Was bedeutet Wirkungsgrad bei einer Synchronmaschine?

Der Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine ist das Verhältnis von nutzbarer Ausgangsleistung zu zugeführter Eingangsleistung.

Im Motorbetrieb gilt vereinfacht:

η = mechanische Ausgangsleistung / elektrische Eingangsleistung

Im Generatorbetrieb gilt:

η = elektrische Ausgangsleistung / mechanische Eingangsleistung

Die mechanische Leistung ergibt sich aus Drehmoment und Drehzahl. In technischer Schreibweise:

P = M · ω

Für die Praxis wird häufig folgende Form verwendet:

P = 2π · n · M / 60

Dabei ist:

P die mechanische Leistung in Watt
M das Drehmoment in Newtonmeter
n die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute
ω die Winkelgeschwindigkeit in Radiant pro Sekunde

Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet, dass nur ein kleiner Anteil der zugeführten Leistung in Verluste übergeht. Diese Verluste treten vor allem als Wärme auf und müssen über das Maschinendesign, die Kühlung und den Betriebspunkt beherrscht werden.

Warum erreichen Synchronmaschinen hohe Wirkungsgrade?

Synchronmaschinen können sehr hohe Wirkungsgrade erreichen, weil ihr elektromagnetisches Prinzip eine effiziente Energieumwandlung ermöglicht. Besonders permanenterregte Synchronmaschinen, häufig als PMSM bezeichnet, haben im Rotor keine elektrische Erregerwicklung. Dadurch entfallen Rotor-Kupferverluste, wie sie bei elektrisch erregten Maschinen auftreten können.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Synchronmaschinen ohne Schlupf arbeiten. Die Drehzahl des Rotors ist synchron mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators. Das unterscheidet sie von Asynchronmaschinen, bei denen ein Schlupf zwischen Drehfeld und Rotor erforderlich ist, um Drehmoment zu erzeugen.

In der Praxis hängt der Wirkungsgrad aber nicht allein vom Maschinentyp ab. Entscheidend sind unter anderem:

• die Auslegung des elektromagnetischen Kreises
• die Wicklungsausführung
• das Magnetmaterial
• die Drehzahl
• das Drehmoment
• die Temperatur
• die Kühlung
• die Regelstrategie
• der Wechselrichter
• der konkrete Betriebspunkt im Kennfeld

Deshalb ist es fachlich sinnvoller, nicht nur vom maximalen Wirkungsgrad zu sprechen, sondern vom Wirkungsgrad über den relevanten Arbeitsbereich.

Das Wirkungsgradkennfeld einer Synchronmaschine

Ein Wirkungsgradkennfeld zeigt, wie effizient eine elektrische Maschine bei verschiedenen Kombinationen aus Drehzahl und Drehmoment arbeitet.

Typischerweise wird die Drehzahl auf der horizontalen Achse dargestellt. Das Drehmoment wird auf der vertikalen Achse dargestellt. Positive Drehmomente beschreiben häufig den Motorbetrieb. Negative Drehmomente stehen für Generatorbetrieb, beispielsweise beim Bremsen oder Rekuperieren.

Innerhalb des Kennfelds werden Bereiche gleichen Wirkungsgrads durch Farben oder Linien dargestellt. Dadurch lässt sich erkennen, in welchen Betriebspunkten die Maschine besonders effizient arbeitet und in welchen Bereichen die Verluste steigen.

Ein solches Kennfeld ist für die Auslegung elektrischer Antriebe wichtiger als ein einzelner Spitzenwert. Eine Maschine mit sehr hohem Maximalwirkungsgrad kann im realen Einsatz weniger effizient sein, wenn der häufig genutzte Betriebsbereich außerhalb des optimalen Kennfeldbereichs liegt.

Für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, Pumpen, Verdichter oder Hochgeschwindigkeitsantriebe muss deshalb geprüft werden, welche Betriebspunkte tatsächlich relevant sind. Die beste Maschine ist nicht zwangsläufig die mit dem höchsten Spitzenwirkungsgrad, sondern diejenige, deren Effizienzprofil zur Anwendung passt.

Grunddrehzahlbereich: Drehmoment durch Strom begrenzt

Der Arbeitsbereich einer Synchronmaschine lässt sich grob in zwei Bereiche einteilen: den Grunddrehzahlbereich und den Feldschwächbereich.

Im Grunddrehzahlbereich kann die Maschine häufig ihr maximales Drehmoment bereitstellen. Die Begrenzung entsteht vor allem durch den maximal zulässigen Strom. Dieser Strom wird durch mehrere Faktoren begrenzt:

• die thermische Belastbarkeit der Statorwicklung
• die Stromgrenze des Wechselrichters
• die magnetische Auslegung der Maschine
• die Kühlbedingungen
• die zulässige Dauer- oder Spitzenbelastung

Da das Drehmoment einer Synchronmaschine wesentlich vom Strom abhängt, bestimmt die Stromgrenze in diesem Bereich das maximal verfügbare Drehmoment.

Für viele Anwendungen ist dieser Bereich besonders relevant, weil hier hohe Anfahrmomente und dynamische Lastwechsel auftreten. Gleichzeitig steigen bei hohen Strömen die Kupferverluste deutlich an. Diese Verluste folgen näherungsweise dem Zusammenhang:

P_Cu = I² · R

Das bedeutet: Verdoppelt sich der Strom, steigen die Kupferverluste näherungsweise auf das Vierfache. Deshalb ist ein hoher Drehmomentbetrieb thermisch besonders anspruchsvoll.

Feldschwächbereich: Drehmoment durch Spannung begrenzt

Ab einer bestimmten Drehzahl erreicht die Maschine die sogenannte Grunddrehzahl. Oberhalb dieses Punktes reicht die verfügbare Spannung nicht mehr aus, um das maximale Drehmoment weiter aufrechtzuerhalten.

Dieser Bereich wird als Feldschwächbereich bezeichnet.

Der Grund liegt in der Gegenspannung der Maschine. Mit steigender Drehzahl nimmt die induzierte Spannung zu. Gleichzeitig ist die verfügbare Spannung durch Batterie, Zwischenkreis und Wechselrichter begrenzt. Damit der Betrieb bei höheren Drehzahlen möglich bleibt, wird die Maschine feldgeschwächt betrieben.

Im Feldschwächbereich sinkt das maximal verfügbare Drehmoment mit steigender Drehzahl. Die Maschine bewegt sich näherungsweise entlang eines Konstantleistungsbereichs. Das bedeutet: Die Drehzahl steigt, während das Drehmoment abnimmt.

Für Anwendungen mit hohen Drehzahlen ist dieser Bereich besonders wichtig. Dort steigen häufig auch Eisenverluste, mechanische Verluste und Wechselrichterverluste. Der Wirkungsgrad kann deshalb bei sehr hohen Drehzahlen wieder abnehmen, selbst wenn die Maschine grundsätzlich effizient ausgelegt ist.

Motorbetrieb und Generatorbetrieb

Eine Synchronmaschine kann sowohl als Motor als auch als Generator arbeiten.

Im Motorbetrieb wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Die Maschine liefert Drehmoment an eine Welle, ein Getriebe oder direkt an eine Anwendung.

Im Generatorbetrieb wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Das ist zum Beispiel bei der Rekuperation in elektrifizierten Fahrzeugen relevant. Beim Bremsen arbeitet die Maschine generatorisch und speist elektrische Energie zurück in den Zwischenkreis oder die Batterie.

Der Wirkungsgrad ist im Motor- und Generatorbetrieb nicht automatisch identisch. Er hängt in beiden Fällen vom konkreten Betriebspunkt ab. Eine Rolle spielen unter anderem Drehzahl, Drehmoment, Strom, Spannung, Temperatur und Regelung.

In einem Kennfeld wird der Generatorbetrieb oft durch negative Drehmomente dargestellt. Dadurch lässt sich erkennen, in welchen Bereichen Energie effizient zurückgewonnen werden kann.

Welche Verluste beeinflussen den Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad einer Synchronmaschine wird durch verschiedene Verlustmechanismen bestimmt. Diese Verluste treten nicht gleichmäßig über das Kennfeld auf. Einige Verluste steigen vor allem mit dem Strom, andere mit Drehzahl oder Frequenz.

Kupferverluste

Kupferverluste entstehen durch den elektrischen Widerstand der Wicklungen. Sie hängen stark vom Strom ab und steigen näherungsweise quadratisch mit ihm.

Hohe Drehmomente führen zu hohen Strömen. Deshalb sind Kupferverluste besonders bei hohen Lasten relevant.

Eisenverluste

Eisenverluste entstehen im magnetischen Kreis der Maschine. Sie setzen sich im Wesentlichen aus Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten zusammen.

Diese Verluste steigen typischerweise mit der elektrischen Frequenz und damit mit der Drehzahl. Bei hohen Drehzahlen können Eisenverluste einen erheblichen Anteil der Gesamtverluste ausmachen.

Magnetverluste

Bei permanenterregten Synchronmaschinen können auch Verluste in den Permanentmagneten auftreten. Diese entstehen unter durch Wirbelströme. Sie hängen von der Auslegung des Rotors, der Magnetsegmentierung, dem Luftspaltfeld und der Betriebsfrequenz ab.

Mechanische Verluste

Mechanische Verluste entstehen durch Lagerreibung, Luftreibung und gegebenenfalls Dichtungen. Bei sehr hohen Drehzahlen kann die Luftreibung stark zunehmen.

Für Hochgeschwindigkeitsmaschinen sind mechanische Verluste und rotor-dynamische Randbedingungen deshalb besonders wichtig.

Wechselrichterverluste

Der Wechselrichter ist nicht Teil der elektrischen Maschine selbst, beeinflusst aber den Wirkungsgrad des gesamten Antriebssystems. Er verursacht Leitverluste und Schaltverluste.

Für die Systembewertung muss deshalb zwischen Maschinenwirkungsgrad und Antriebssystem-Wirkungsgrad unterschieden werden.

Maschinenwirkungsgrad und Systemwirkungsgrad

Der Maschinenwirkungsgrad beschreibt nur die elektrische Maschine. In einer realen Anwendung ist jedoch meist der gesamte elektrische Antriebsstrang entscheidend.

Zum System können gehören:

• Batterie oder Gleichspannungsquelle
• Zwischenkreis
• Wechselrichter
• Kabel und Steckverbindungen
• elektrische Maschine
• Getriebe oder mechanische Kopplung
• Kühlung
• Regelung

Ein hoher Maschinenwirkungsgrad bedeutet daher nicht automatisch, dass der gesamte Antrieb im gleichen Betriebspunkt ebenso effizient arbeitet. Besonders bei Fahrzeugen, mobilen Maschinen oder kompakten Hochleistungsantrieben ist die Systemperspektive entscheidend.

Für die Auslegung eines elektrischen Antriebs sollte deshalb nicht nur geprüft werden, wie effizient die Maschine im Prüfstand arbeitet. Entscheidend ist, wie Maschine, Wechselrichter, Kühlung und Lastprofil zusammenwirken.

Typische Wirkungsgrade von Synchronmaschinen

Synchronmaschinen können in günstigen Betriebspunkten Wirkungsgrade oberhalb von 90 Prozent erreichen. Permanenterregte Synchronmaschinen liegen in vielen Anwendungen besonders hoch, wenn sie im passenden Drehzahl- und Lastbereich betrieben werden.

Der maximale Wirkungsgrad liegt jedoch selten bei maximalem Drehmoment oder maximaler Drehzahl. Häufig befindet sich der effizienteste Bereich bei mittleren Drehzahlen und moderaten bis höheren Lasten.

Bei sehr niedriger Last sinkt der Wirkungsgrad oft, weil Grundverluste im Verhältnis zur abgegebenen Leistung stärker ins Gewicht fallen. Bei sehr hohen Drehmomenten steigen die Kupferverluste. Bei sehr hohen Drehzahlen nehmen Eisenverluste, mechanische Verluste und Wechselrichterverluste zu.

Deshalb ist bei der Bewertung einer Synchronmaschine immer die Frage entscheidend: In welchen Betriebspunkten wird die Maschine tatsächlich betrieben?

Bedeutung für elektrische Antriebe

Der Wirkungsgrad einer Synchronmaschine beeinflusst nicht nur den Energieverbrauch. Er wirkt sich auch auf thermische Belastung, Kühlbedarf, Dauerleistung, Bauraum und Lebensdauer aus.

In elektrifizierten Fahrzeugen beeinflusst der Wirkungsgrad direkt die Reichweite und die Rekuperationsfähigkeit. In Industrieanwendungen wirkt er sich auf Betriebskosten, Energiebedarf und Temperaturverhalten aus. In Hochgeschwindigkeitsanwendungen kann er darüber entscheiden, ob eine Maschine thermisch und mechanisch beherrschbar bleibt.

Für die Entwicklung elektrischer Antriebe ist daher nicht nur der maximale Wirkungsgrad relevant. Wichtiger ist häufig ein breiter Bereich mit hoher Effizienz. Dieser Bereich sollte möglichst gut zum realen Lastprofil der Anwendung passen.

Wie liest man ein Wirkungsgradkennfeld?

Ein Wirkungsgradkennfeld lässt sich in wenigen Schritten interpretieren.

Zuerst wird die Drehzahl auf der horizontalen Achse gewählt. Danach wird das Drehmoment auf der vertikalen Achse bestimmt. Der Schnittpunkt dieser beiden Werte entspricht dem Betriebspunkt der Maschine.

An diesem Betriebspunkt kann der Wirkungsgrad über Farbe, Linien oder Zahlenwerte abgelesen werden.

Zusätzlich sollte geprüft werden, ob sich der Betriebspunkt im Grunddrehzahlbereich oder im Feldschwächbereich befindet. Im Grunddrehzahlbereich ist meist der Strom die wesentliche Begrenzung. Im Feldschwächbereich ist meist die verfügbare Spannung entscheidend.

Bei negativen Drehmomenten befindet sich die Maschine im Generatorbetrieb. Das ist besonders relevant, wenn Energie zurückgewonnen werden soll.

Warum der Spitzenwirkungsgrad allein nicht ausreicht

Der Spitzenwirkungsgrad ist ein nützlicher Vergleichswert, aber er beschreibt nur einen einzelnen Betriebspunkt oder einen kleinen Bereich im Kennfeld.

Für eine technische Bewertung sind weitere Fragen wichtiger:

• Wie groß ist der Bereich mit hohem Wirkungsgrad?
• Liegt dieser Bereich im realen Lastprofil der Anwendung?
• Wie verhält sich die Maschine bei Teillast?
• Wie stark steigen die Verluste bei hohen Drehzahlen?
• Wie lange kann ein hoher Drehmomentbetrieb thermisch gehalten werden?
• Wie effizient arbeitet das Gesamtsystem aus Maschine und Wechselrichter?

Gerade bei kundenspezifischen elektrischen Antrieben ist diese Betrachtung wesentlich. Die optimale Maschine ist nicht isoliert optimal, sondern passend zur Anwendung, zum Lastprofil und zu den Systemgrenzen ausgelegt.

Fazit

Der Wirkungsgrad einer Synchronmaschine hängt stark vom Betriebspunkt ab. Drehzahl, Drehmoment, Strom, Spannung, Temperatur und Verlustmechanismen bestimmen gemeinsam, wie effizient die Maschine arbeitet.

Besonders aussagekräftig ist deshalb das Wirkungsgradkennfeld. Es zeigt, in welchen Bereichen eine Maschine effizient arbeitet und wo Verluste zunehmen.

Im Grunddrehzahlbereich wird das maximale Drehmoment vor allem durch den Strom begrenzt. Im Feldschwächbereich begrenzt die verfügbare Spannung das Drehmoment, während die Maschine häufig in einem Konstantleistungsbereich betrieben wird.

Für die Auslegung elektrischer Antriebe ist entscheidend, dass der Bereich hoher Effizienz zum realen Lastprofil passt. Ein hoher Spitzenwirkungsgrad ist wertvoll, ersetzt aber keine systematische Betrachtung des gesamten Kennfelds.

Häufige Fragen zum Wirkungsgrad der Synchronmaschine

Was ist der Wirkungsgrad einer Synchronmaschine?

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von nutzbarer Ausgangsleistung zu zugeführter Eingangsleistung. Im Motorbetrieb ist das Verhältnis von mechanischer Ausgangsleistung zu elektrischer Eingangsleistung gemeint.

Warum haben permanenterregte Synchronmaschinen hohe Wirkungsgrade?

Bei permanenterregten Synchronmaschinen wird das Rotorfeld durch Permanentmagnete erzeugt. Dadurch entstehen im Rotor keine elektrischen Erregerverluste. Außerdem arbeitet die Maschine synchron zum Statordrehfeld und ohne Schlupf.

Wo ist der Wirkungsgrad am höchsten?

Der höchste Wirkungsgrad liegt meist bei mittleren Drehzahlen und mittlerem Drehmoment. Der genaue Bereich hängt von der konkreten Auslegung der Maschine ab.

Warum sinkt der Wirkungsgrad bei niedriger Last?

Bei niedriger Last ist die abgegebene Leistung klein. Insbesondere Kupferverluste, bei kleiner Drehzahl, und Eisenverluste bei höheren Drehzahlen und Frequenzen fallen dann stark ins Gewicht.

Was ist der Feldschwächbereich?

Der Feldschwächbereich ist der Drehzahlbereich oberhalb der Grunddrehzahl. Dort begrenzt die verfügbare Spannung das maximal mögliche Drehmoment. Die Maschine kann weiter schneller drehen, liefert aber weniger Drehmoment. Die Leistung ist im Idealfall konstant.

Ist der Wirkungsgrad im Generatorbetrieb gleich wie im Motorbetrieb?

Nicht zwingend. Der Wirkungsgrad im Generatorbetrieb hängt ebenfalls von Drehzahl, Drehmoment, Strom, Spannung, Temperatur und Regelstrategie ab.