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StartseiteForschung aktuellReluktanzmotoren17.12.2003

Reluktanzmotoren

Ein altes Prinzip neu entdeckt

<strong>Technik. - Manche technische Entwicklung ist ihrer Zeit weit voraus, sie kommt einfach zu früh. Zum Beispiel Reluktanzmaschinen. 1840 meldete ein Tüftler das erste Patent auf diese eigentlich ziemlich simplen Elektromotoren an, die im Vergleich zu gängigen Antrieben erstaunliche Vorteile bieten: Sie sind leichter, billiger und erlauben hohe Drehzahlen. Reluktanzmaschinen konnten sich nicht durchsetzen, weil die notwendige elektronische Steuerung fehlte. Das ist heute anders, so dass viele Forschergruppen in aller Welt ein altes Prinzip neu aufleben lassen. </strong>

von Mirko Smiljanic

Funktionsbild eines Reluktanzmotors (Universität der Bundeswehr Hamburg)
Funktionsbild eines Reluktanzmotors (Universität der Bundeswehr Hamburg)
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Animation der Funktionsweise eines Reluktanzmotors

Reluktanzmotoren funktionieren denkbar einfach: Ein drehbar gelagerter Eisenstab – der Läufer oder Rotor – richtet sich in das durch einen elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld aus. Wenn jetzt das Magnetfeldes gezielt weitergeschaltet wird, gerät der Motorläufer in eine drehende Bewegung.

Man kann das physikalische Prinzip vergleichen als wenn ein Elektromagnet einen Eisenkern anzieht. Das heißt, sobald wir Strom in eine Spule bekommen, bekommen wir ein magnetisches Feld. Und wenn wir dieses magnetische Feld über einen Eisenkern rückschließen möchte, dann versucht dieser Kreis diese Energie zu reduzieren. Und das führt dazu, dass der Luftspalt reduziert wird. Das heißt, da entsteht eine Kraft, und man zieht damit dieses Eisenteil an,...

...erläutert Professor Rik De Doncker, Leiter des Institutes für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe an der RWTH Aachen. Der Begriff "Reluktanz" steht für den magnetischen Widerstand, den ein Motorläufer dem elektromagnetischen Feld entgegensetzt. Im Vergleich zu anderen Elektromotoren besitzt der Läufer der "geschalteten Reluktanzmaschine" – so der Fachbegriff – weder eine Wicklung noch Permanentmagnete. Das Prinzip funktioniert aber nur dann, wenn das Magnetfeld im äußeren Teil des Motors fehlerfrei gesteuert wird. Das wiederum kann nur von außen geschehen.

Ganz genau bedeutet das, die Geräte, die wir einsetzen, um elektrische Energie umzuformen, das sollte die möglichst ohne Verluste gehen, und deshalb benutzen wir dafür Halbleiterbauelemente, deshalb heißt das auch Leistungselektronik, wir sind heute in der Lage Leistungen zu steuern über einen Megawatt und dabei eine Schaltfrequenz zu erreichen und dabei eine Schaltfrequenz zu erreichen von fünf Kilohertz.

Vereinfacht gesagt: Ein Megawatt elektrische Leistung kann 5.000 Mal pro Sekunde ein und ausgeschaltet werden. Ein enorm hoher Wert, der allerdings auch notwendig ist, um die Drehzahl von Reluktanzmschinen zu steuern: Je rascher die Elektronik das Magnetfeld um den Rotor herum führt, desto höher ist die Drehzahl. Die Vorteile dieses Konzeptes liegen auf der Hand: Der Rotor – sagt Rik De Donker von der RWTH Aachen – hat gar keine Wicklung, die Polwicklungen im feststehenden Teil der Maschine lassen sich zudem sehr einfach herstellen.

Das bedeutet, hier hat man insgesamt ein Konzept, das kostengünstiger sein könnte, weil diese Reluktanzmaschinen insgesamt bei höheren Drehzahlen betrieben werden können, bedeutet das auch, dass wir kompaktere Maschinen und Antriebe damit realisieren können.

Und zwar in erstaunlich vielen Bereichen. In einem vom Berliner Bundesforschungsministerium geförderten Projekt, untersucht das Aachener Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe gemeinsam mit dem VW-Konzern den Einsatz von Reluktanzmaschinen im Auto. Prototypen gibt es noch nicht, theoretisch denkbar wäre dieser Antrieb aber schon, zumal seit einiger Zeit eine zuverlässig arbeitende Leistungselektronik zu Verfügung steht. Darüber hinaus sehen Wissenschaftler weiteres Potenzial…

…bei Maschinen mit sehr hohen Drehzahlen, also sagen wir Leistungsklassen von einem Megawatt und Umdrehungszahlen über 30.000 Umdrehungen, solche Maschinen existieren heutzutage nicht, und das könnte dazu führen, dass wir zum Beispiel im Bereich regenerative Energiequellen bei Biogas Miniturbinen im Bereich von einem Megawatt ein sehr kompaktes System bauen können.

Womit aber noch lange nicht das Ende der Fahnenstange erreicht ist. Wenn es nach den Wünschen eines großen Bielefelder Haushaltsgeräte-Herstellers geht, hat demnächst jeder seine Reluktanzmaschine in der eigenen Wohnung.

Man untersucht diese Maschinen sogar in Geräten zu benutzen wie Staubsauger, wo man mit den hohen Drehzahlen die Kosten der Turbine zu reduzieren.

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