Ein Asynchronmotor, auch Induktionsmotor genannt, ist einer der am weitesten verbreiteten Elektromotoren in industriellen Anwendungen. Sein Funktionsprinzip ist eigentlich nicht sehr kompliziert, wird aber oft zu theoretisch erklärt. Hier versuchen wir, es praxisnäher und verständlicher zu erläutern.

Grundlegendes Funktionsprinzip eines Asynchronmotors

Das Grundprinzip eines Asynchronmotors ist die elektromagnetische Induktion.

Wird die Statorwicklung mit Drehstrom versorgt, entsteht im Motor ein rotierendes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld durchdringt die Rotorleiter und induziert einen elektrischen Strom im Rotor. Sobald Strom im Rotor induziert wird, erzeugt dieser selbst ein Magnetfeld. Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Stators und dem Magnetfeld des Rotors erzeugt ein elektromagnetisches Drehmoment, das den Rotor in Rotation versetzt.

Wichtig ist, dass der Rotor nicht direkt mit elektrischer Energie versorgt wird. Der Strom im Rotor wird vielmehr durch das Magnetfeld induziert. Daher muss die Rotordrehzahl stets von der Drehzahl des rotierenden Magnetfelds abweichen.

Dieser Drehzahlunterschied ist der Hauptgrund dafür, dass er als Asynchronmotor bezeichnet wird.

Warum die Rotordrehzahl immer niedriger als die Synchrondrehzahl ist

In einem Asynchronmotor dreht sich das vom Stator erzeugte Magnetfeld mit der sogenannten Synchrondrehzahl. Der Rotor dreht sich im normalen Motorbetrieb jedoch stets etwas langsamer als diese Drehzahl.

Warum passiert das?

Würde sich der Rotor mit exakt derselben Geschwindigkeit wie das rotierende Magnetfeld drehen, gäbe es keine Relativbewegung zwischen den Rotorleitern und dem Magnetfeld. Ohne Relativbewegung würden die Rotorleiter die magnetischen Feldlinien nicht schneiden. Das bedeutet: keine induzierte Spannung, kein induzierter Strom und somit kein elektromagnetisches Drehmoment.

Einfach ausgedrückt:
Keine Drehzahldifferenz = kein induzierter Strom = kein Drehmoment.

Damit der Motor weiterhin Drehmoment erzeugt, muss sich der Rotor stets mit einer niedrigeren Drehzahl als der Synchrondrehzahl drehen. Diese Drehzahldifferenz wird durch einen Parameter namens Schlupf beschrieben.

Bedeutung von „Dreiphasen-Asynchronmotor“

Der Begriff „Drehstrom-Asynchronmotor“ enthält eigentlich zwei wichtige Bedeutungen.

Dreiphasen

Dreiphasenstrom bedeutet, dass der Motor mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben wird. Die drei Phasenspannungen weisen eine Phasenverschiebung von 120 elektrischen Grad auf. Diese Art der Stromversorgung erzeugt naturgemäß ein gleichmäßiges, rotierendes Magnetfeld im Stator, was für den Motorbetrieb optimal ist.

Im Vergleich zu Einphasenmotoren starten Dreiphasenmotoren leichter, laufen ruhiger und haben im Allgemeinen einen höheren Wirkungsgrad.

Asynchron

Asynchron bedeutet, dass die Rotordrehzahl nicht mit der Drehzahl des rotierenden Magnetfelds synchronisiert ist. Im Normalbetrieb ist die Rotordrehzahl stets niedriger als die Synchrondrehzahl. Dieser Drehzahlunterschied ist für die Induktion und die Drehmomenterzeugung notwendig.

Der grundlegende Unterschied zwischen Synchron- und Asynchronmotoren liegt darin, ob eine externe Erregung erforderlich ist. Asynchronmotoren benötigen keine separate Erregung. Der Rotorstrom wird durch elektromagnetische Induktion erzeugt, was die Konstruktion einfacher und robuster macht.

Kann die Rotordrehzahl jemals die Synchrondrehzahl überschreiten?

Im normalen Motorbetrieb überschreitet die Rotordrehzahl niemals die Synchrondrehzahl. Unter bestimmten Betriebsbedingungen, wie beispielsweise beim dynamischen Bremsen oder im Generatorbetrieb, kann die Rotordrehzahl jedoch höher als die Synchrondrehzahl werden.

In diesen Fällen arbeitet der Motor nicht mehr wie ein normaler Motor. Bei üblichen industriellen Motoranwendungen ist die Rotordrehzahl jedoch stets niedriger als die Drehzahl des rotierenden Magnetfelds.

Energieumwandlung in einem dreiphasigen Asynchronmotor

Wenn ein Drehstrom-Asynchronmotor als Motor betrieben wird, wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt.

Das rotierende Magnetfeld induziert aufgrund der Relativbewegung Spannung und Strom in der Rotorwicklung. Der Rotorstrom interagiert mit dem Statormagnetfeld und erzeugt so ein elektromagnetisches Drehmoment. Dieses Drehmoment treibt den Rotor und die angeschlossene Last an.

Der gesamte Energieumwandlungsprozess hängt vom Schlupf ab. Ohne Schlupf gibt es keinen induzierten Strom, und ohne induzierten Strom gibt es kein Drehmoment.

Vorteile von Drehstrom-Asynchronmotoren

Im Vergleich zu einphasigen Asynchronmotoren weisen dreiphasige Asynchronmotoren mehrere klare Vorteile auf.

Erstens weisen sie ein besseres Laufverhalten auf. Das Drehmoment ist stabiler, die Vibrationen sind geringer und der Wirkungsgrad ist im Allgemeinen höher.

Zweitens können Drehstrommotoren bei gleicher Ausgangsleistung Material einsparen. Dadurch sind sie in industriellen Anwendungen wirtschaftlicher.

Drittens ist die Konstruktion relativ einfach und zuverlässig, was zu einer langen Lebensdauer und geringen Wartungskosten führt.

Typen von Drehstrom-Asynchronmotoren

Nach der Rotorstruktur werden Drehstrom-Asynchronmotoren hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: Käfigläufermotoren und Schleifringläufermotoren.

Käfigläufer-Asynchronmotor

Der Kurzschlussläufer-Asynchronmotor zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und einen sehr zuverlässigen Betrieb aus. Er ist leicht, kostengünstig und wartungsfreundlich. Aufgrund dieser Vorteile ist er der am weitesten verbreitete Motorentyp in der Industrie.

Der größte Nachteil besteht darin, dass die Drehzahlregelung schwierig ist. Sobald der Motor läuft, wird die Drehzahl hauptsächlich durch die Netzfrequenz und die Motorkonstruktion bestimmt.

Schleifringläufer-Asynchronmotor

Bei einem Drehstrom-Asynchronmotor mit Schleifringläufer verfügen sowohl Stator als auch Rotor über Drehstromwicklungen. Die Rotorwicklungen sind über Schleifringe und Bürsten mit einem externen Widerstand verbunden.

Durch die Anpassung des externen Widerstands lässt sich das Anlaufverhalten des Motors verbessern und der Anlaufstrom steuern. Auch die Drehzahl kann innerhalb eines bestimmten Bereichs angepasst werden.

Aufgrund ihrer komplexeren Konstruktion und des höheren Wartungsaufwands werden Schleifringläufermotoren jedoch seltener eingesetzt als Kurzschlussläufermotoren.

Conclusion

Das Funktionsprinzip eines Drehstrom-Asynchronmotors beruht auf elektromagnetischer Induktion und Schlupf. Das vom Stator erzeugte rotierende Magnetfeld induziert einen Strom im Rotor, und die Wechselwirkung der Magnetfelder erzeugt ein Drehmoment.

Das Hauptmerkmal eines Asynchronmotors ist, dass die Rotordrehzahl im Normalbetrieb stets von der Synchrondrehzahl abweicht. Dieses einfache, aber effektive Prinzip macht Asynchronmotoren zuverlässig, langlebig und für ein breites Spektrum industrieller Anwendungen geeignet.