Asynchronmotor Aufbau und Funktionsweise
Kurzschlussläufer und Schleifringläufer
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.
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 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.
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.