Asynchronmotor

Jeder Asynchronmotor bzw. jede Asynchron-Drehmaschine verfügt über einen Rotor und einen Stator. Der Stator ist immer aus Paketen von Elektroblech aufgebaut und verfügt über Wicklungen aus Kupferdraht. Die Zahl dieser Wicklungen muss stets 3 oder ein Vielfaches von 3 betragen.

Bei den Rotoren bzw. Läufern für Asynchronmotoren unterscheidet man grundsätzlich zwei verschiedene Formen: Kurzschlussläufer und Schleifringläufer. In der Regel liegt der Rotor eines Asynchronmotors innen, wird also vom Stator umschlossen. Ist die Anordnung umgekehrt, spricht man von einem Außenläufer.

Bei einem Schleifringläufer bestehen sowohl der Stator als auch der Rotor aus Elektroblechpaketen mit Wicklungen aus Kupferdraht. Die Wicklungen des Rotors werden über Schleifringe nach außen geführt und dort kurzgeschlossen. Dazu sind zusätzliche Widerstände notwendig.

Bei einem Kurzschlussläufer, auch Käfigläufer genannt, besteht der Rotor aus einem Käfig von Metallstäben, meist aus Kupfer oder Aluminium, die an ihren Enden über einen Ring aus demselben Metall kurzgeschlossen werden. Dies ist der häufigste Typ des Asynchronmotors.

Eine Besonderheit des Asynchronmotors ist, dass er im Gegensatz zum Synchronmotor ohne Kommutatoren und Bürsten auskommt. Letzteres ist in der Praxis vor allem deshalb relevant, weil die fehlenden Bürsten den Verschleiß reduzieren und überdies kein Funkenflug („Bürstenfeuer“) entstehen kann, weshalb sich ein Asynchronmotor besonders für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen eignet.

Der Stator eines Asynchronmotors verfügt über Wicklungen aus Kupferdraht, wobei deren Anzahl von Stator zu Stator variieren kann, jedoch stets durch 3 teilbar ist. An diese Wicklungen wird ein Drehstrom mit einer Phasenverschiebung von jeweils 120 Grad angelegt. So entsteht ein Magnetfeld, das durch den Luftspalt auch auf den Rotor übertragen wird. Besteht nun eine Drehzahldifferenz zwischen Rotor und Stator, wird in den Stäben bzw. Spulen des Rotors durch das Drehfeld eine Spannung induziert. Diese Spannung führt – da die Stäbe bzw. Wicklungen ja kurzgeschlossen sind – zu einem Stromfluss in denselben, was wiederum ein rotierendes Magnetfeld im Rotor erzeugt, welches dem Drehfeld des Stators hinterherläuft.

Durch die Wechselwirkung zwischen den beiden Drehfeldern wirkt eine Kraft auf den Rotor, die zur Entstehung eines Drehmoments führt. Zusätzlich wirkt die Lorentzkraft auf den Rotor, umso stärker, je höher die Differenz zwischen der Drehzahl des Rotors und der des Stators ist.

Anders ausgedrückt: Wäre die Drehzahl des Rotors gleich der des Stator-Drehfelds, käme es zu keiner Spannungsinduktion und folglich würde im Läufer weder ein Magnetfeld induziert werden noch die Lorentzkraft wirken. Der Asynchronmotor ist also auf eine asynchrone Drehzahl angewiesen um zu funktionieren. Daher rührt sein Name.

Eines der größten Probleme beim Betrieb eines Asynchronmotors ist der benötigte hohe Einschaltstrom; dieser kann mehr als das Achtfache des Nennstroms betragen. Würde man einen Drehstrommotor ohne besondere Vorkehrungen in Betrieb setzen, könnten nicht nur vorgeschaltete Sicherungen auslösen, sondern auch das Netz könnte massiv belastet werden. Daher kommen bei Asynchronmaschinen hoher Leistung spezielle Anlassverfahren zum Einsatz.

Ein klassisches Verfahren ist die Stern-Dreieck-Schaltung, bei der Leistung und Drehmoment beim Anfahren um zwei Drittel reduziert werden, da erst nach dem Hochlaufen von Sternschaltung auf Dreieckbetrieb umgeschaltet wird. Die heute ebenfalls übliche Frequenzumrichter sind in der Lage, eine Asynchronmaschine lastangepasst zu starten.

Ein weiteres Problem beim Anfahren von Asynchronmotoren ist das sogenannte „Kleben“ (Verharren) des Rotors im unteren Drehzahlbereich, das mit einer starken Geräuschentwicklung einhergeht. Die Ursache hierfür ist in den Nuten der Blechpakete zu suchen. Wenn Rotor- und Statorpaket die gleiche Anzahl an Nuten aufweisen, können Pulsationen im magnetischen Fluss miteinander wirken und den Motor verharren lassen. Dieses Problem kann jedoch vermieden werden, indem man die Nuten im Rotorpaket schräg zur Wellenachse anlegt.

Der Asynchronmotor ist heute die am weitesten verbreitete Form des Elektromotors. Sein einfacher Aufbau, verbunden mit einem hohen Grad an Robustheit, macht ihn für Anwendungen in fast allen Bereichen zur ersten Wahl. Das Einsatzspektrum reicht von Kinderspielzeug und Haushaltsgeräten bis zu Elektrolokomotiven und dem Antrieb großer Maschinen in der Industrie; auch Elektroautos werden mit Asynchronmotoren betrieben.

Grundsätzlich kann eine Asynchronmaschine überall betrieben werden, wo Drehstrom zur Verfügung steht. Dies ist in der EU fast immer der Fall. In anderen Ländern, beispielsweise in den USA, Kanada oder Australien, ist dieser jedoch nicht überall verfügbar. Wer also eine Maschine mit Drehstrommotoren ins Ausland exportieren oder dort betreiben will, sollte sich unbedingt im Voraus informieren, ob am Einsatzort Drehstrom zur Verfügung steht.

Eine Asynchronmaschine kann nicht nur als Motor, sondern auch als Generator genutzt werden. Zu diesem Zweck muss die Maschine mit einer Drehzahl angetrieben werden, die über der Umdrehungsfrequenz des Drehfeldes liegt. Sobald das der Fall ist, speist die Asynchronmaschine Wirkleistung in ein angeschlossenes Stromnetz. Auf diese Art erzeugen zum Beispiel Windkraftanlagen Strom. Den Umstand, dass prinzipiell jeder Asynchronmotor als Generator wirken kann, macht man sich in Kraftfahrzeugen zu Nutze, indem beim Bremsen Strom erzeugt wird, der die Akkumulatoren des Fahrzeugs teilweise wiederauflädt (Rekuperation).

Der Asynchronmotor ist ein Elektromotor, bei dem das Drehfeld des Rotors (Läufer) dem das Stators folgt. Durch die Wechselwirkung der beiden Drehfelder und die Lorentzkraft entsteht ein Drehmoment, dass zum Antrieb einer Maschine o. ä. genutzt werden kann. Gleichzeitig können Asynchron-Drehmaschinen auch als Generatoren genutzt werden.