Asynchronmotor Aufbau und Funktionsweise

Kurzschlussläufer und Schleifringläufer

Asynchronmotor
Der Asyn­chron­mo­tor wird auch als Induk­tion­s­mo­tor beze­ich­net, da Asyn­chron­mo­toren über das Induk­tion­sprinzip funk­tion­ieren. Abgekürzt wird der Asyn­chron­mo­tor mit ASM oder IM beze­ich­net. Der Rotor läuft im Motor­be­trieb bei einem Asyn­chron­mo­tor langsamer als das mag­netis­che Drehfeld des Sta­tors, also asyn­chron zum Sta­tor. Die Dif­ferenz zwis­chen Sta­tor­drehzahl und Rotor­drehzahl nen­nt man auch Schlupf. Wenn die Rotor­drehzahl gle­ich der Sta­tor­drehzahl ist, ergibt sich ein Schlupf von null und der Asyn­chron­mo­tor liefert kein pos­i­tives Drehmo­ment. Im Gen­er­a­tor­be­trieb wird der Rotor schneller als das Drehfeld vom Sta­tor gedreht. Durch die Drehzahld­if­ferenz wird ein neg­a­tives Drehmo­ment erzeugt, welch­es den Rotor ver­sucht abzubrem­sen. Asyn­chron­mo­toren welche direkt an zweiphasi­gen Wech­sel­strom oder dreiphasi­gen Drehstrom ohne einen Invert­er Betrieben wer­den, haben einen gerin­geren Wirkungs­grad als Syn­chron­mo­toren mit Per­ma­nent­mag­neten. Allerd­ings Asyn­chron­mo­toren, welche mit einem Invert­er Betrieben wer­den, kön­nen ähn­liche hohe Wirkungs­grade erreichen. 

Asynchronmotoren Aufbau

Es gibt zwei unter­schiedliche Asyn­chron­mo­toren Typen, es wird unter­schieden in Käfigläufer und Schleifringläufer. Der Auf­bau des Sta­tors ist bei bei­den gle­ich und ähnelt dem eines Syn­chron­mo­tors. Um den mag­netis­chen Fluss im Elek­tro­mo­tor zu leit­en, beste­hen Sta­tor und Rotor aus mehreren Lagen Elek­trob­lech, welch­es in der Regel 0,5 mm dick ist. Je dün­ner das Elek­trob­lech gemacht wird, desto klein­er sind die Wirbel­stromver­luste im Elek­tro­mo­tor und desto höher ist sein Wirkungs­grad. Der Sta­tor trägt die Wick­lun­gen, in denen der Drehstrom fließt. In der Regel hat der Sta­tor drei Motor­phasen, welche im Stern oder im Dreieck ver­schal­tet wer­den kön­nen. Es gibt aber auch Motoren mit mehreren und auch wenigeren Phasen, was primär abhängig ist vom Ver­wen­dungszweck und Ver­sorgungss­pan­nung. Der Rotor enthält kurzgeschlossene Leit­er­stäbe oder Wick­lun­gen abhängig vom Asyn­chron­mo­toren Typ. 
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Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer

Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer

Der Rotor eines Kurz­schlus­släufers beste­ht aus einem Käfig aus Stäben, welche aus Alu­mini­um oder Kupfer sind. Die Stäbe sind am oberen und unteren Ende mit Rin­gen aus dem gle­ichen Mate­r­i­al kurzgeschlossen. Der Käfigläufer wird am häu­fig­sten einge­set­zt da dieser keine Schleifringe besitzt und dadurch eine höhere Lebens­dauer hat. Außer­dem ist die Fer­ti­gung des Rotors sehr viel kostengünstig.

Asynchronmotor mit Schleifringläufer

Bei einem Schleifringläufer beste­ht der Rotor aus Wick­lun­gen anstelle von Stäben. Die Wick­lun­gen sind nicht im Rotor kurzgeschlossen, son­dern über Schleifringe nach außen geführt und über zusät­zliche Wider­stände kurzgeschlossen. Über die Wider­stände außer­halb vom Elek­tro­mo­tor kann der Strom­fluss im Rotor bee­in­flusst werden. 
Asynchronmotor mit Schleifringläufer

Asynchronmotor Funktionsweise

Durch einen Drehstrom in den Wick­lun­gen des Sta­tors entste­ht ein mag­netis­ches Drehfeld. Das mag­netis­che Drehfeld vom Sta­tor fließt über den Luftspalt auch durch den Rotor. Wenn eine Drehzahld­if­ferenz zwis­chen Rotor­drehzahl und Sta­tor­drehzahl beste­ht, wird durch das mag­netis­che Drehfeld eine Span­nung in den Leit­er­stäben des Rotors induziert. Da die Leit­er­stäbe am unter und oberen Ende miteinan­der kurzgeschlossen sind erzeugt die induzierte Span­nung einen Strom­fluss in den Stäben. Der Kurz­schlussstrom in den Stäben erzeugt wiederum ein mag­netis­ches Feld im Rotor, welch­es dem mag­netis­chen Feld des Sta­tors fol­gt. Im Gegen­satz zu Syn­chron­mo­toren mit Per­ma­nent­mag­neten ist das mag­netis­che Feld des Rotors nicht orts­ge­bun­den, son­dern rotiert über den Rotor. Wenn der Rotor sich mit der gle­ichen Drehzahl des Sta­tors dreht, wird kein Strom mehr in den Leit­er­stäben induziert und entsprechend auch kein Drehmo­ment mehr erzeugt. Im Falle eines Kurz­schlusses des Sta­tors wird durch den Rotor keine Span­nung mehr induziert. Das macht den Asyn­chron­mo­tor zu einem sehr sicheren Elek­tro­mo­tor, weshalb unter anderem große Auto­mo­bil­her­steller wie Tes­la und Audi den Asyn­chron­mo­tor in ihren Elek­tro­fahrzeu­gen einsetzen.

Vorteile und Nachteile

Wer­fen Sie einen Blick auf die Vor- und Nachteile von Asyn­chron­mo­toren mit Schleifringläufer und Käfigläufer mit und ohne Umrichter.

Asynchronmotor Vorteile und Nachteile

ASM Schleifringläufer

Der Hauptvorteil eines Asyn­chron­mo­tors mit Schleifrin­gen ist das höhere Drehmo­ment im unteren Drehzahlbere­ich und der gerin­gere Anlauf­strom. Allerd­ings sind die zusät­zlichen Kosten für Schleifringe und auch für die Her­stel­lung des Rotors mit den Wick­lun­gen erhe­blich. Daher wird der Schleifringläufer heute nur für sehr große Elek­tro­mo­toren ver­wen­det, bei denen ein Umrichter zu teuer wäre. 

ASM Kurzschlusskäfig ohne Inverter

Der Hauptvorteil eines Käfigläufer­mo­tors sind die gerin­gen Her­stel­lungskosten für den Rotor im Ver­gle­ich zu einem Per­ma­nent­mag­net-Syn­chron­mo­tor, kurz PMSM. Der Asyn­chron­mo­tor ist sehr robust gegenüber hohen Tem­per­a­turen. Man muss sich nicht um die Ent­mag­netisierung der Mag­nete küm­mern, wie bei einem PMSM. Der Haupt­nachteil ist das geringe Anlauf­mo­ment und ein niedriger Wirkungs­grad, wenn Sie keinen Umrichter verwenden.

ASM Kurzschlusskäfig mit Inverter

Mit einem Umrichter kann der Asyn­chron­mo­tor einen ähn­lich hohen Wirkungs­grad wie ein PMSM bei hohen Drehzahlen erre­ichen. Die Spitzen­leis­tung und das Spitzen­drehmo­ment sind eben­falls sehr gut, da man sich nicht um die Ent­mag­netisierung der Mag­nete küm­mern muss. Die Dauer­leis­tung kann ein Prob­lem darstellen, wenn die erzeugte Wärme im Rotor nicht richtig abge­führt wer­den kann.