Antriebselemente
Teil von Antriebe auslegen: Drehmoment, Drehzahl und Lastprofil Schritt für Schritt
Asynchronmotor oder Synchronmotor im Vergleich für die Antriebsauslegung
Asynchronmotor oder Synchronmotor im Vergleich: Wirkungsgradklassen nach IEC 60034-30-1, Typenleistungen, Momenten und Preisen für die Antriebsauslegung.
Das Wichtigste auf einen Blick
- Asynchronmotoren bilden ihr Drehmoment über Schlupf, Synchronmotoren arbeiten mit Permanentmagneten schlupffrei.
- Nach IEC 60034-30-1 erreicht ein vierpoliger Asynchronmotor mit 7,5 kW in IE3 etwa 90,4 Prozent Wirkungsgrad, in IE4 etwa 92,1 Prozent.
- Netzbetriebene Asynchronmotoren decken rund 0,09 bis 200 kW ab, Synchronservomotoren meist 0,1 bis 15 kW.
- Ein Synchronmotor braucht immer einen Umrichter, ein Asynchronmotor läuft auch direkt am Netz.
- Den Ausschlag geben Drehmomentverlauf, Lastprofil und Systemkosten, nicht ein einzelner Wirkungsgradwert.
Wirkungsgradklassen nach IEC 60034-30-1
Die Norm IEC 60034-30-1 ordnet netzbetriebene Drehstrommotoren in die Klassen IE1 bis IE4 ein. Die Tabellen gelten für Asynchronmotoren und werden auf Permanentmagnet-Synchronmotoren übertragen, weil deren Rotorverluste entfallen.
| Nennleistung, 4-polig | IE3 | IE4 |
|---|
Bei kleinen Leistungen liegen Synchronservomotoren mit etwa 90 bis 95 Prozent auf ähnlichem Niveau. Im Umrichterbetrieb schrumpft ihr Vorsprung, weil Frequenzumrichter, Drosseln und EMV-Filter eigene Verluste beitragen.
Die EU-Ökodesign-Verordnung 2019/1781 verlangt für Drehstrommotoren ab 0,75 kW mindestens die Klasse IE3. Das verschiebt die Wirtschaftlichkeitsgrenze zwischen beiden Motortypen, weil der Asynchronmotor diesen Wert ohne Umrichter erreicht.
Baureihen von Siemens, Lenze und Baumüller
Siemens führt netzbetriebene Asynchronmotoren in der Reihe SIMOTICS GP 1LE1, größere Einheiten in der Reihe SIMOTICS SD. Für Servoachsen steht die Synchronreihe SIMOTICS S-1FK2 im Programm.
Bei Lenze finden sich die Produktdaten der Motorenbaureihen im Lenze Motorenprogramm. Dort sind Asynchron- und Synchronmotoren für Antriebspakete mit Getriebe dokumentiert, darunter die Synchronbaureihe MCS.
| Kriterium | Asynchronmotor | Synchronmotor |
|---|---|---|
| Typenleistung | etwa 0,09 bis 200 kW am Netz, Sonderausführungen darüber | etwa 0,1 bis 15 kW in Servobauform |
| Nennmoment und Stillstandsmoment | Nennmoment von etwa 0,3 Nm bis über 10.000 Nm | Stillstandsmoment von etwa 0,5 bis 90 Nm in Servobauform |
| Preisspanne netto | etwa 150 bis 2.500 Euro für 0,55 bis 30 kW | etwa 400 bis 4.000 Euro ohne Umrichter |
| Umrichter | optional | zwingend |
| Wirkungsgradklasse | IE2 bis IE4 | IE4 und besser |
Die Preisangaben sind Nettopreise ohne Umsatzsteuer und ohne Umrichter, Geber oder Kühlkörper. Für die Auslegung zählt der Systempreis, nicht der Motorpreis allein.
Baumüller führt Synchronservomotoren der Baureihen DSD2 und DSC1 und listet sie samt Datenblättern unter Baumüller Elektromotoren neben Asynchronmaschinen.
Drehmomentverlauf und Regelbarkeit
Der Asynchronmotor erzeugt sein Drehmoment über den Schlupf. Bei 50 Hz und vier Polen liegt die Nenndrehzahl knapp unter 1.500 Umdrehungen pro Minute, das Kippmoment beim zwei- bis dreifachen Nennmoment. Direkt am Netz nimmt er das Vier- bis Achtfache des Nennstroms auf, deshalb sind Stern-Dreieck-Schaltung oder Sanftanlasser üblich.
Der Synchronmotor stellt das Drehmoment proportional zum Ständerstrom bereit, ohne Schlupf. Die Drehzahl bleibt lastunabhängig, das Stillstandsmoment entspricht dem Nennmoment. Sein Rotor ist leichter, was schnellere Beschleunigungen erlaubt. Das passt zu Positionieraufgaben, Werkzeugmaschinenachsen und Vorschubantrieben.
Beide Typen lassen sich feldorientiert regeln. Der Asynchronmotor kommt häufig ohne Geber aus und bleibt im Feldschwächbereich belastbar. Der Synchronmotor regelt schneller, benötigt aber meist einen Geber und verliert bei Feldschwächung Wirkungsgrad.
Umrichterbedarf, Einsatzgrenzen und EU-Vorgaben
Ein Synchronmotor benötigt immer einen Umrichter, ein Asynchronmotor läuft direkt am Netz. Bei Pumpen, Lüftern und Förderern mit fester Drehzahl senkt das die Systemkosten. Bei drehzahlvariablen Antrieben liegen die Umrichterkosten für beide Typen in ähnlicher Größenordnung.
Die Niederspannungsrichtlinie 2014/35/EU regelt die Sicherheit elektrischer Betriebsmittel und gilt für beide Motortypen. Nachteile des Synchronmotors sind die feste Erregung mit begrenztem Feldschwächbereich, die Abhängigkeit von Selten-Erd-Magneten und hohe Kurzschlussströme. Der Asynchronmotor ist überlastrobuster, wiegt bei gleichem Moment mehr und arbeitet im Teillastbereich schlechter.
Auswahl in fünf Schritten
- Lastkennlinie aufnehmen: Drehmoment über Drehzahl und zeitlichen Verlauf.
- Betriebsart festlegen: Dauerbetrieb am Netz, drehzahlvariabel oder Positionierbetrieb.
- Wirkungsgrad rechnen: Jahresenergiebedarf für IE3, IE4 und Synchronmotor vergleichen.
- Systemkosten aufstellen: Motor, Umrichter, Filter, Geber, Kühlung, Montage.
- Randbedingungen prüfen: Baugröße, Schutzart, Umgebungstemperatur, Wartung.
Beispielrechnung für Mehrkosten und Einsparung
Ein vierpoliger Motor mit 7,5 kW läuft 4.000 Stunden im Jahr bei 75 Prozent Last. Bei IE3 mit 90,4 Prozent Wirkungsgrad entstehen 6,22 kW Aufnahmeleistung, bei IE4 mit 92,1 Prozent 6,11 kW. Die Differenz von 0,11 kW ergibt bei 4.000 Stunden rund 440 kWh jährlich.
Beim Arbeitspreis von 0,20 Euro pro kWh sind das etwa 88 Euro im Jahr. Kostet der IE4-Motor 300 Euro netto mehr, zuzüglich 19 Prozent Umsatzsteuer, rechnet sich der Aufpreis nach etwa drei bis vier Betriebsjahren. Diese Zahlen sind eine Beispielrechnung, kein Messergebnis.
Häufige Fragen
Wann ist der Asynchronmotor die bessere Wahl?
Bei fester Drehzahl, rauer Umgebung, hoher Überlastfähigkeit und wenn kein Geber vorgesehen ist. Für Pumpen, Lüfter, Förderschnecken und Kompressoren bleibt er meist die wirtschaftlichste Lösung.
Braucht ein Synchronmotor immer einen Umrichter?
Ja. Er kann nur mit einem drehenden Ständerfeld anlaufen und läuft ohne Umrichter nicht aus dem Stillstand synchron hoch.
Welche Nachteile hat der Permanentmagnet-Synchronmotor?
Die Magnete sind teuer und rohstoffabhängig, der Feldschwächbereich ist begrenzt, ein Kurzschluss kann zur Entmagnetisierung führen. Der Umrichter muss die Rotorlage kennen.
Wann lohnt sich IE4 statt IE3?
Bei hoher Laufzeit und hoher Auslastung. Nach der Beispielrechnung rechnet sich der Aufpreis ab etwa 4.000 Betriebsstunden im Jahr in wenigen Jahren.
