Asynchronmotor

Der Asynchronmotor, auch Drehstrom-Asynchronmotor genannt, ist der am meisten verwendete Motor in der Industrie. Als Drehstrommotor ist er ein mit Drehstrom betriebener Elektromotor und somit eine Maschine, die elektrische in mechanische Energie umwandelt. Der Asynchronmotor ist zudem das Gegenteil eines Generators, ein Gerät, das selbst Strom erzeugt. Dieser hat im Vergleich zum Gleichstrommotor einen bis zu 20% höheren Wirkungsgrad, ist leichter und wartungsärmer.

Motoren zeichnen sich aus, da sie langsamer drehen als das Drehnetz selbst – Verschiedenste Motorentypen, wie zum Beispiel Dampfmaschinen, Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen, zeichnen sich jedoch durch ihre Funktionsweise aus.

Der Asynchronmotor gehört zur Gruppe der Induktionsmotoren; Dies sind Motoren, in welchen die Rotorspannung über das Stator-Magnetfeld induziert wird. Somit ist er als Drehstrom-Induktionsmaschine eine Maschine, in der der Läufer (Rotor) asynchron und somit nicht im Takt mit dem Drehfeld läuft – Daher hat der Motor seinen Namen. Falls seine Drehzahl von der synchronen Drehzahl abweicht, hat er einen einmaligen Drehmoment. Somit sagt man auch, dass sich der Motor außerhalb seiner Netzfrequenz dreht.
Ungefähr 65 bis 70 Prozent aller Elektromotoren, die jährlich auf der Welt hergestellt werden, sind Asynchronmotoren. Da sie robust, praktisch wartungsfrei, einfach zu produzieren und somit preiswert herzustellen sind, werden sie international besonders oft in der Antriebstechnik verwendet.

Der Asynchronmotor zeichnet sich außerdem dadurch aus, dass er einen passiven Läufer besitzt, der entweder ständig oder fallweise kurzgeschlossen wird. Wird er ständig kurzgeschlossen, handelt es sich um einen sogenannten Kurzschlussläufer, beim zweiten Typ spricht man von einem Schleifringläufer.

Video Asynchronmotor (für Einsteiger)

Der Kurzschlussläufer

Der Rotor ist beim Kurzschlussläufer, auch Käfigläufer genannt, immer kurzgeschlossen, d.h. der Läufer verfügt hier über Windungen und einem dauernden kurgeschlossenen Käfig. Der Schleifringläufer stattdessen besitzt eine aus Draht gewickelte Spule, die über Schleifringe versorgt wird.

Im Gegensatz zum Schleifring ist der Käfigläufer besonders einfach gebaut: Er verfügt über ein Gehäuse, in dem sich ein Eisenblechpaket befindet. In Nuten (Vertiefungen im Metall) eingebettet sind Metallstäbe, die nicht aus Eisenmetallen bestehen – die Läuferstäbe, welche beidseitig mit Kurzschlussringen versehen sind. Das Eisenblechpaket und die Metallstäbe bilden zusammen den Läufer.
Das Paket verfügt über Löcher, die mit flüssigem Aluminium gefüllt werden, einige von ihnen werden jedoch zwecks Lüftung nicht gefüllt.
Werden Asynchronmotoren mit geringer Leistung (bis zu 100 Kilowatt) benötigt, wird die Wicklung des Läufers aus Aluminium hergestellt. Bei Motoren mit mehr Leistung als 100 Kilowatt besteht die Wicklung ebenfalls aus Aluminium, jedoch werden die Läuferstäbe entweder mit Bronze, Kupfer oder Messing hergestellt, zudem besetzten sie auf beiden Seiten Kurzschlussringe.
Da die Läuferstäbe beim Käfigläufer nicht so tief im Eisenblechpaket liegen wie bei anderen Bauformen üblich, werden sie als Rundstäbe ausgeführt und somit oft als Rundstabläufer bezeichnet.

Der Strom in den Läuferstäben des Kurzschlussläufers ist so hoch, dass sie den Aufbau eines Magnetfeldes bewirken. Jedoch herrscht ein sehr geringer Widerstand im Blechpaket und dieser erzeugt nur eine geringe Spannung, sodass kein Strom von den Aluminiumstäben in das Eisenblechpaket fließt. Dies macht den Kurzschlussläufer nicht geeignet für den Hochleistungsbetrieb und nur brauchbar für geringe Leistungsanforderungen.

Der Schleifringläufer

Der Schleifringläufer verfügt wie die andere Bauform über ein Eienblechpaket, daneben angereiht jedoch drei sogenannte Schleifringe, auf diesen werden die drei Anhänge angeschlossen. Die Enden der Schleifringe sind im Dauerbetrieb jedoch kurzgeschlossen.

Im Gegensatz zum Kurzschlussläufer ist dieser Läufer über die Schleifringe ausgeführt.
Der Schleifringläufer wird besonders oft in Hochleistungsindustrien verwendet, da sie über mehr Windungen verfügen als die Kurzschlussläufer. Aufgrund dessen herrscht ein sehr hoher Widerstand, der eine hohe Spannung induziert. Durch die hohe Spannung ist weniger Strom erforderlich, weswegen der Schleifringläufer ideal zum Dauereinsatz geeignet ist.

Trotzdem werden die Läufer mit Schleifringen immer seltener in der Industrie verwendet, da die Wicklungen bei der Produktion per Hand zusammengeführt und verlötet werden müssen und die Produktionskosten sind somit wesentlich höher als bei Kurzschlussläufern, die nicht über Wicklungen verfügen.

Aufbau und Bestandteile

Beide Bauformen des Asynchronmotors, Kurzschluss- sowie Schleifringläufer, bestehen aus folgenden Teilen:

• Lüfter,
• Klemmbrett,
• Klemmenkasten,
• Ständerblechpaket,
• Ständerwicklung,
• Wälzlager,
• Welle,
• sowie der Kurzschlussring.

Der Lüfter dient zur Kühlung des Motors und wird somit auch als Kühlkörper bezeichnet.
Im Klemmbrett werden Zusatzwiderstände in den Läuferkreis eingeschaltet. Bei Schleifringläufern werden Wicklungsanfänge durch das Klemmbrett nach außen geführt. Um das Betriebsverhalten des Motors daraufhin überprüfen zu können, werden somit Widerstände oder Stromrichter an den Motor angeschlossen.
Zudem kann man die Drehrichtung des Motors ändern, indem zwei beliebige Zuleitungsanschlüsse am Klemmbrett vertauscht. Der Klemmenkasten beherbergt lediglich die Klemmen.

Im Ständergehäuse ist das Ständerblechpaket befestigt, das den Ständer (auch Rotor genannt) stützt und unter dem Klemmbrett sowie dem Klemmenkasten sitzt. Es ist meist mit einer Papier-, Lack- oder Oxidschicht isoliert. Auch Eisenblechpaket genannt, bildet es zusammen mit den Metallstäben den Läufer. Die restlichen Bauteile des Motors bilden den Stator.

Durch die Ständerwicklung kann die Spannung nur induziert werden: Ein dreiphasiger Drehstrom wird in die Wicklung eingespeist, so entsteht die Spannung in der Läuferwicklung.
Das Wälzlager ist das einzige Verschleißteil im gesamten Motor. Die Spannung, die durch die Wicklung induziert wird, liegt immer über dem isolierten Lager.
Das Eisenblechpaket wird meist auf die Rotorwelle montiert und über die Welle verläuft der Leistungsfluss bis zum Rotor.

Der Kurzschlussring besteht aus einer Metallwindung, spezifisch Kupfer, und dient praktisch als zweite Wicklung des Asynchronmotors. Denn der Strom, der in diesem Ring induziert wird, entwickelt eine elektromagnetische Kraft, die phasenverschoben ist; Der in der primären Wicklung induzierte Strom verläuft dreiphasig.
Der Kurzschlussring verhindert somit ein „Brummen“, das sonst entstehen würde: Eine Gegenmaßnahme zum Brummen ist erforderlich, da beim Wechselstrom die elektromagnetische Kraft einen Nullwert erreicht. Hier dient der Ring als Operator und verhindert das Brummen im Asynchronmotor.

Das magnetische Drehfeld

Das Drehfeld im Asynchronmotor ist ein Magnetfeld, das erzeugt wird, um die Wellen des Motors selbstständig anzutreiben. Er wird durch den sogenannten Dreiphasenwechselstrom erzeugt, kurz „Drehstrom“, welches aus drei einzelnen Wechselströmen mit gleicher Frequenz bestehen, die jeweils um 120 Grad verschoben sind. Das Drehfeld befindet sich in einem Luftspalt zwischen Rotor und Ständer (Stator), da die drei Wicklungen im Eisenblechpaket räumlich gegeneinander versetzt sind.

Bewegt sich das Drehfeld synchron zum Läufer, so ist der magnetische Fluss (die Folge einer magnetischen Spannung) im Asynchronmotor konstant und es kann keine Spannung induziert werden; Es ist somit kein Drehmoment vorhanden.
Beim Asynchronmotor jedoch bewegt sich das Drehfeld asynchron zum Läufer, beispielsweise langsamer als der Läufer, und erzeugt einen nicht konstanten Fluss: Spannung wird somit induziert und der Drehmoment ist proportional zum Schlupf, das Abweichen der Geschwindigkeiten von Drehfeld und Läufer.

6. Steuerung des Asynchronmotors

Der Asynchronmotor wird meist mit einer Schütze gesteuert: Dies ist ein Schalter für hohe elektrische Leistungen mit zwei Schaltstellungen und wird elektrisch oder pneumatisch betätigt.

Ein Beispiel für eine Schütze ist die Stern-Dreieck-Anlaufschaltung. Er wird zuerst über die Sternschaltung geschaltet, welche einen sogenannten Sternpunkt besitzt, an dem viele beliebige Anschlüsse mit je einem Widerstand geschaltet werden. Nach der Sternschaltung wird die Dreieckschaltung betätigt: Hier werden drei Außenleiter, bzw. Phasenstränge, in Reihe geschaltet. Das bedeutet, dass das Ende eines Außenleiters mit einem anderen Außenleiter verbunden ist. Die Stern-Dreieck-Anlaufschaltung wird meist in Kurzschlussläufern verwendet, die eine geringe Leistung erbringen, da die Schaltung ein Drittel der Energie im Kurzschlussläufer nutzt.

Eine andere Möglichkeit, um den Asynchronmotor zu steuern, ist der Umrichter, auch als Wechselstrom-Umrichter bezeichnet. Er verändert die Wechselspannung der Frequenz (Schnelligkeit von Wiederholungen) oder die der Amplitude (Schwingungen). Er darf nicht verwechselt werden mit dem Transformator, der nur die Wechselspannung der Frequenz, nicht die der Amplitude, generiert. Im Drehstrom-Asynchronmotor ist es spezifisch der Frequenzumrichter: Sowohl die Spannung der Frequenz als auch die der Amplitude werden generiert, jedoch richten sie sich spezifisch auf die Leistung des Asynchronmotors und insbesondere erhöhen oder reduzieren die Spannung der Frequenz. Einige der Frequenzumrichter können außerdem die Drehzahl oder Winkelposition des Läufers erfassen.
Die Umrichter sorgen jedoch nicht für einzelne Maschinen, sondern generieren Frequenz und Amplitude für die Versorgung mehrerer Verbraucher und Maschinen.

Drehzahlsteuerung
Um die Drehzahl der Asynchronmaschine stetig oder stufenweise zu ändern, können verschiedene Verfahren angewendet werden:

• Durch die Änderung der Ständer-/Statorfrequenz,
• stufenweise Veränderung der Polpaarzahlen durch polumschaltbare Maschinen,
• Änderung der Ständer-/Statorspannung,
• oder durch das Einschalten verschiedener Widerstände im Stromkreis des Schleifringläufers.

Letzteres ist nur möglich beim Schleifringläufer, Kurzschlussläufer sind hier ausgeschlossen.
Zudem kann die Drehrichtung des Motors geändert werden, dafür werden lediglich zwei Außenleiter (Phasenstränge) ausgetauscht, so wird zudem der Drehsinn des Drehfeldes geändert.