Asynchronmotor – Schleifringläufer – Mechatronik Lernportal

Asynchronmotor – Schleifringläufer

Der Schleifringläufermotor ist eine besondere Bauart des Drehstrom-Asynchronmotors, bei der der Rotor über Schleifringe zugänglich ist. Diese Bauart ermöglicht es, den Rotorwiderstand gezielt zu verändern und damit das Anlaufverhalten, die Drehzahl und das Drehmoment zu beeinflussen. In diesem Kurs lernst du den Aufbau, die Funktionsweise und die typischen Anwendungen des Schleifringläufermotors kennen.

Kapitel 01

Was ist ein Schleifringläufermotor und wie unterscheidet er sich vom Käfigläufer?

Der Schleifringläufermotor ist eine Bauart des Drehstrom-Asynchronmotors, bei der die Rotorwicklung nicht kurzgeschlossen ist, sondern über Schleifringe nach außen geführt wird. Im Gegensatz dazu hat der Käfigläufermotor einen kurzgeschlossenen Rotor, dessen Wicklung fest mit dem Rotor verbunden und nicht zugänglich ist.

Geschichte: Der Schleifringläufermotor wurde Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt, um die Nachteile des Käfigläufers beim Anlauf zu kompensieren. Durch die Möglichkeit, dem Rotor externe Widerstände zuzuschalten, konnte man das Anlaufmoment erheblich verbessern – eine wichtige Eigenschaft für schwere Antriebe wie Kräne oder Aufzüge.

Hauptunterschiede zum Käfigläufer

Merkmal Käfigläufer Schleifringläufer
Rotorwicklung Kurzgeschlossene Stäbe (Käfig) Drehstromwicklung, über Schleifringe zugänglich
Anlaufmoment Gering (ca. 1,5- bis 2,5-faches Nennmoment) Hoch (bis 3-faches Nennmoment möglich)
Anlaufstrom Hoch (5- bis 8-faches Nennstrom) Reduziert durch Anlasswiderstand
Drehzahlstellung Nicht möglich (ohne Frequenzumrichter) Über Rotorwiderstand stufenlos einstellbar
Wartungsaufwand Gering (wartungsfrei) Höher (Schleifringe, Kohlebürsten)
Wirkungsgrad Hoch (keine Verluste im Rotor) Etwas geringer (Verluste im Anlasswiderstand)
Anschaffungskosten Niedriger Höher
Merksatz: Der Schleifringläufer ist komplexer und wartungsintensiver als der Käfigläufer, bietet aber deutlich bessere Anlaufeigenschaften und ermöglicht eine einfache Drehzahlstellung ohne teure Frequenzumrichter.
Vergleich Käfigläufer vs. Schleifringläufer (Prinzipskizze)
Käfigläufer Kurzgeschlossener Rotor keine externen Anschlüsse Schleifringläufer R_anl Rotorwicklung über Schleifringe Anlasswiderstand zuschaltbar ✓ Einfacher Aufbau ✓ Wartungsfrei ✗ Hoher Anlaufstrom ✓ Hohes Anlaufmoment ✓ Drehzahlstellung möglich ✗ Wartungsintensiv
? Verständnisfrage: Warum hat der Schleifringläufer ein höheres Anlaufmoment als der Käfigläufer? ›
Weil der Schleifringläufer eine stärkere Statorwicklung hat
Weil durch den Anlasswiderstand das Kippmoment in den Anlaufbereich verschoben wird
Weil der Anlaufstrom höher ist als beim Käfigläufer
Weil die Schleifringe eine bessere elektrische Verbindung ermöglichen
Kapitel 02

Wie ist der Rotor eines Schleifringläufers aufgebaut?

Der Rotor eines Schleifringläufers unterscheidet sich grundlegend vom Käfigläufer. Statt eines einfachen Kurzschlusskäfigs besitzt er eine vollwertige Drehstromwicklung, die der Statorwicklung sehr ähnlich ist.

Aufbau der Rotorwicklung

Die Rotorwicklung besteht aus drei separaten Wicklungssträngen (U₂, V₂, W₂), die in Nuten im Rotorblechpaket untergebracht sind. Diese drei Wicklungen werden in Sternschaltung verbunden. Die drei Wicklungsenden werden auf die Schleifringe geführt, die auf der Rotorwelle montiert sind.

Aufbau des Schleifringläufer-Rotors (schematisch)
Welle Rotorblechpaket U₂ V₂ W₂ Wicklungsnuten U₂ V₂ W₂ Kohlebürsten Schleifringe R_anl ⋆ Funktionsprinzip: Die Rotorwicklung ist in Stern geschaltet. Die drei Wicklungsenden werden über Schleifringe und Kohlebürsten mit dem externen Anlasswiderstand verbunden. Wichtig: Die Schleifringe drehen sich mit dem Rotor, die Kohlebürsten sind feststehend. Dadurch ist eine elektrische Verbindung zum rotierenden Teil möglich.

Die Schleifringe

Die Schleifringe sind auf der Rotorwelle montierte, elektrisch leitfähige Ringe (meist aus Messing oder Kupfer), die sich mit dem Rotor drehen. Auf jedem Schleifring liegt eine feststehende Kohlebürste auf, die über Federdruck einen sicheren Kontakt gewährleistet. So entsteht eine dauerhafte elektrische Verbindung zwischen dem rotierenden Rotor und den feststehenden Anschlüssen.

Achtung – Wartung: Kohlebürsten unterliegen einem mechanischen Verschleiß und müssen regelmäßig kontrolliert und ausgetauscht werden. Auch die Schleifringe können durch Bürstenabrieb verschmutzen und müssen gereinigt werden. Dies ist der Hauptnachteil des Schleifringläufers gegenüber dem wartungsfreien Käfigläufer.

Sternschaltung der Rotorwicklung

Die drei Wicklungsstränge im Rotor sind intern im Sternpunkt verbunden. Die drei Außenleiter (U₂, V₂, W₂) werden über die Schleifringe nach außen geführt. Der Sternpunkt ist nicht zugänglich und liegt isoliert im Rotor.

Rotorwicklung – Sternschaltung
U₂–V₂–W₂ im Sternpunkt verbunden
3 Schleifringe für U₂, V₂, W₂
? Verständnisfrage: Warum werden beim Schleifringläufer genau drei Schleifringe benötigt? ›
Weil der Rotor drei Pole hat
Weil die Rotorwicklung drei Stränge hat (U₂, V₂, W₂) und in Stern geschaltet ist
Weil der Stator mit Drehstrom (3 Phasen) gespeist wird
Weil jede Phase zwei Anschlüsse benötigt (Hin- und Rückleiter)
Kapitel 03

Wie funktioniert der Anlasswiderstand beim Schleifringläufer?

Der Anlasswiderstand (auch Anfahrwiderstand genannt) ist ein außerhalb des Motors angeordneter Widerstand, der über die Schleifringe in den Rotorkreis geschaltet wird. Seine Hauptaufgaben sind:

  • Begrenzung des Anlaufstroms: Beim Start wird der Rotor mit hohem Widerstand betrieben, was den Stromfluss im Rotor und damit auch im Stator begrenzt.
  • Erhöhung des Anlaufmoments: Durch den erhöhten Rotorwiderstand wird das Kippmoment (maximales Drehmoment) in den Stillstandsbereich verschoben, sodass beim Anlauf ein sehr hohes Drehmoment zur Verfügung steht.
  • Sanfter Hochlauf: Der Widerstand wird während des Hochlaufs stufenweise verringert, bis der Motor nahezu Nenndrehzahl erreicht hat und der Rotor kurzgeschlossen wird.

Aufbau des Anlasswiderstands

Der Anlasswiderstand besteht meist aus mehreren Widerstandsstufen, die über Schütze oder Stufenschalter nacheinander kurzgeschlossen werden können. Typisch sind 3 bis 5 Stufen. Jede Stufe reduziert den Gesamtwiderstand im Rotorkreis.

Anlasswiderstand – Stufenschaltung (Prinzip)
Dreistufiger Anlasswiderstand U₂ V₂ W₂ R₁ R₁ R₁ K1 R₂ R₂ R₂ K2 R₃ R₃ R₃ K3 ⋆ Start: Alle R eingeschaltet K1 öffnet → R₁ überbrückt K2 öffnet → R₂ überbrückt K3 öffnet → R₃ überbrückt → Rotor kurzgeschlossen Ablauf: Start mit maximalem R_anl → stufenweise Kurzschluss → bei Nenndrehzahl Rotor kurzgeschlossen
Praxistipp: Die Umschaltung der Stufen erfolgt meist automatisch über eine Zeitsteuerung oder drehzahlabhängig. Bei modernen Anlagen wird häufig ein sanfter Übergang mit stufenlos regelbaren Widerständen realisiert.

Warum erhöht der Anlasswiderstand das Anlaufmoment?

Das mag zunächst widersprüchlich klingen: Mehr Widerstand → weniger Strom → weniger Drehmoment? Das stimmt beim Käfigläufer, aber beim Schleifringläufer verschiebt sich durch den erhöhten Rotorwiderstand die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie.

Das Kippmoment (Mkipp) ist das maximale Drehmoment, das der Motor liefern kann. Bei einem Käfigläufer liegt dieses Kippmoment bei etwa 70–80 % der Nenndrehzahl. Beim Anlauf (n = 0) ist das Moment deutlich kleiner. Durch Erhöhung des Rotorwiderstands wird das Kippmoment in Richtung Stillstand verschoben – im Extremfall liegt Mkipp genau bei n = 0, was das höchste mögliche Anlaufmoment ergibt.

ÖVE/ÖNORM EN 60034-1: Die Norm definiert Kennwerte für rotierende elektrische Maschinen, darunter das Anzugsmoment (MA), Kippmoment (Mkipp) und Nennmoment (MN). Beim Schleifringläufer kann durch geeignete Wahl des Anlasswiderstands MA nahezu Mkipp erreichen.
? Verständnisfrage: Warum wird der Anlasswiderstand nach dem Hochlauf kurzgeschlossen? ›
Weil der hohe Widerstand den Motor effizienter macht
Weil der Widerstand im Normalbetrieb nur Verluste erzeugt und den Wirkungsgrad senkt
Weil sonst die Welle zu stark belastet wird
Weil sonst die Drehrichtung wechselt
Kapitel 04

Wie beeinflusst der Rotorwiderstand die Anlaufkennlinie?

Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie (auch M-n-Kennlinie genannt) zeigt, wie viel Drehmoment der Motor bei unterschiedlichen Drehzahlen erzeugt. Diese Kennlinie ändert sich deutlich, wenn man den Rotorwiderstand verändert.

Kennlinie beim Käfigläufer (RRotor klein)

Beim Käfigläufer ist der Rotorwiderstand sehr klein (typisch < 0,1 Ω). Die Kennlinie zeigt:

  • Geringes Anlaufmoment MA (etwa 1,5 × MN)
  • Kippmoment Mkipp bei etwa 70–80 % der Nenndrehzahl
  • Steiler Anstieg des Moments nach dem Anlauf
  • Hoher Anlaufstrom (5- bis 8-faches IN)

Kennlinie beim Schleifringläufer (RRotor groß)

Durch Hinzufügen eines Anlasswiderstands wird RRotor deutlich erhöht (z. B. auf 2–5 Ω). Die Kennlinie ändert sich:

  • Das Kippmoment verschiebt sich zu niedrigeren Drehzahlen
  • Bei optimalem Widerstand liegt Mkipp genau bei n = 0 (Stillstand)
  • Das Anlaufmoment MA kann bis zu 3 × MN erreichen
  • Der Anlaufstrom wird begrenzt (etwa 2- bis 3-faches IN)
  • Die Kennlinie wird flacher → größerer Schlupf bei gleicher Last
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie – Einfluss des Rotorwiderstands
Drehzahl n → Drehmoment M → 0 nN/2 nN 0 MN 2MN 3MN Mkipp MA niedrig Mkipp verschoben MA = Mkipp optimal für Anlauf! Legende Käfigläufer (R klein) Schleifring (R mittel) Schleifring (R optimal) Je größer RRotor, desto weiter verschiebt sich Mkipp nach links → höheres MA, aber größerer Schlupf
Optimaler Anlasswiderstand
Ranl,opt ≈ X2
Ranl,opt
Optimaler Anlasswiderstand (bei dem Mkipp im Stillstand liegt) [Ω]
X2
Reaktanz der Rotorwicklung [Ω]
Wichtig: Ein zu großer Rotorwiderstand verschiebt Mkipp zwar in den Anlaufbereich, führt aber zu sehr hohem Schlupf im Betrieb und damit zu starken Verlusten und Erwärmung. Daher wird nach dem Hochlauf der Widerstand komplett kurzgeschlossen!

Unterschiedliche Anlaufszenarien

Szenario Rotorwiderstand Anlaufmoment MA Anlaufstrom IA Anwendung
Käfigläufer Sehr klein (fest) Niedrig (1,5–2 × MN) Hoch (5–8 × IN) Pumpen, Lüfter (leichter Anlauf)
Schleifringläufer, R klein Klein (kurzgeschlossen) Wie Käfigläufer Wie Käfigläufer Normalbetrieb nach Hochlauf
Schleifringläufer, R mittel Mittel (1–3 Ω) Mittel (2–2,5 × MN) Mittel (3–4 × IN) Zwischenstufe beim Hochlauf
Schleifringläufer, R optimal Groß (≈ X2) Maximal (bis 3 × MN) Begrenzt (2–3 × IN) Kräne, Aufzüge, Walzwerke
? Verständnisfrage: Was passiert mit dem Kippmoment, wenn der Rotorwiderstand vergrößert wird? ›
Das Kippmoment wird größer
Das Kippmoment wird kleiner
Das Kippmoment bleibt gleich groß, verschiebt sich aber zu niedrigeren Drehzahlen
Das Kippmoment verschiebt sich zu höheren Drehzahlen
Kapitel 05

Wie kann die Drehzahl beim Schleifringläufer gestellt werden?

Ein großer Vorteil des Schleifringläufermotors ist die Möglichkeit zur Drehzahlstellung ohne teure Frequenzumrichter. Dies geschieht durch permanente Zuschaltung eines Widerstands im Rotorkreis.

Prinzip der Drehzahlstellung

Die Drehzahl eines Asynchronmotors hängt vom Schlupf ab. Der Schlupf wiederum wird durch den Rotorwiderstand beeinflusst:

Schlupf und Drehzahl
s = (n₀ – n) / n₀
n = n₀ · (1 – s)
s
Schlupf (dimensionslos, 0 bis 1) [1]
n₀
Synchrondrehzahl (Drehfeld) [min⁻¹]
n
Läuferdrehzahl [min⁻¹]

Beim Käfigläufer ist der Rotorwiderstand fest und sehr klein → der Schlupf bei Nennlast liegt typisch bei 2–5 %, die Drehzahl ist nahezu konstant.

Beim Schleifringläufer kann durch Zuschaltung eines externen Widerstands der Schlupf gezielt erhöht werden → die Drehzahl sinkt. Je größer der zugeschaltete Widerstand, desto größer der Schlupf und desto niedriger die Drehzahl.

Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien bei verschiedenen Rotorwiderständen
Drehzahl n → Drehmoment M → 0 n0 MLast Last n₁ (max) R = 0 n₂ R = R₁ n₃ R = R₂ n₄ R = R₃ Drehzahlstellung Gleiche Last (MLast = const.) Verschiedene Rotorwiderstände → Unterschiedliche Drehzahlen! Je größer RRotor, desto größer der Schlupf → desto niedriger die Drehzahl
Achtung – Verluste: Die Drehzahlstellung über Rotorwiderstände ist einfach und kostengünstig, führt aber zu erheblichen Verlusten im Widerstand. Die im Rotor nicht in mechanische Leistung umgewandelte elektrische Energie wird im Widerstand in Wärme umgesetzt. Diese Methode eignet sich daher nur für kurzzeitigen Betrieb oder geringe Leistungen. Für Dauerbetrieb mit variabler Drehzahl sind Frequenzumrichter effizienter.

Verlustleistung bei Drehzahlstellung

Die Verlustleistung im Rotorwiderstand berechnet sich aus:

Verlustleistung im Anlasswiderstand
PVerlust = Pmech · s / (1 – s)
PVerlust
Verlustleistung im Widerstand [W]
Pmech
Mechanische Abgabeleistung [W]
s
Schlupf [1]

Beispiel: Bei 50 % Drehzahl (s = 0,5) und Pmech = 10 kW beträgt die Verlustleistung:

PVerlust = 10.000 W · 0,5 / (1 – 0,5) = 10.000 W · 0,5 / 0,5 = 10.000 W = 10 kW

→ Die Verlustleistung ist genauso groß wie die Nutzleistung! Der Wirkungsgrad liegt nur bei 50 %.

Moderne Alternative: Heute werden Schleifringläufermotoren oft mit einer Schleifringläufer-Kaskade oder einem Umrichter am Rotorkreis betrieben (sogenannte „doppelt gespeiste Asynchronmaschine“). Dabei wird die Schlupfleistung nicht im Widerstand verheizt, sondern ins Netz zurückgespeist oder zur Erregung genutzt. Das verbessert den Wirkungsgrad erheblich und ist heute Stand der Technik bei Windkraftanlagen.
? Verständnisfrage: Warum ist die Drehzahlstellung über Rotorwiderstände bei Dauerbetrieb ungünstig? ›
Weil sich die Drehrichtung ändert
Weil hohe Verluste im Widerstand entstehen und der Wirkungsgrad stark sinkt
Weil der Anlaufstrom zu hoch wird
Weil die mechanische Belastung zu groß wird
Kapitel 06

Wo werden Schleifringläufermotoren eingesetzt?

Der Schleifringläufermotor wird überall dort eingesetzt, wo seine spezifischen Vorteile die Nachteile (höhere Kosten, Wartungsaufwand) überwiegen. Die typischen Anwendungsgebiete sind:

Hauptanwendungen

Kräne & Hebezeuge
Aufzüge
Walzwerke
Windkraftanlagen

1. Kräne und Hebezeuge

Kräne benötigen beim Anheben schwerer Lasten ein hohes Anlaufmoment aus dem Stillstand. Der Schleifringläufer bietet hier gegenüber dem Käfigläufer entscheidende Vorteile:

  • Hohes Anzugsmoment: Bis zu 3 × MN bereits beim Anlauf
  • Begrenzter Anlaufstrom: Schonung der Netzversorgung
  • Sanfter Hochlauf: Stufenweises Beschleunigen vermeidet ruckartige Bewegungen
  • Drehzahlstellung: Verschiedene Hubgeschwindigkeiten ohne Frequenzumrichter
Praxisbeispiel: Ein Hallenkran mit 10 t Traglast verwendet einen Schleifringläufermotor mit 15 kW Nennleistung. Beim Anheben der Last wird der Anlasswiderstand stufenweise verringert, bis die Last sicher angehoben ist. Im Betrieb wird der Rotor kurzgeschlossen. Beim Absenken kann durch Zuschaltung von Widerstand die Senkgeschwindigkeit feinfühlig gesteuert werden.

2. Aufzüge (ältere Anlagen)

In älteren Aufzugsanlagen wurden Schleifringläufermotoren eingesetzt, um eine stufenlose Geschwindigkeitsregelung zu ermöglichen. Heute werden neue Aufzüge fast ausschließlich mit Frequenzumrichtern und Käfigläufermotoren ausgestattet, da diese wartungsärmer und effizienter sind.

3. Walzwerke und Antriebe mit hoher Massenträgheit

In der Stahlindustrie müssen große Massen (Walzen, Bandmaterial) beschleunigt werden. Der Schleifringläufer ermöglicht:

  • Hohe Anzugsmomente zum Überwinden der Trägheit
  • Kontrollierten Hochlauf ohne Stromspitzen
  • Grobe Drehzahlstellung für unterschiedliche Walzgeschwindigkeiten

4. Windkraftanlagen (doppelt gespeiste Asynchronmaschine)

Eine besondere Anwendung ist die doppelt gespeiste Asynchronmaschine (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) in modernen Windkraftanlagen. Hier wird der Schleifringläufer als Generator betrieben:

  • Der Stator ist direkt ans Netz angeschlossen
  • Der Rotor wird über einen Umrichter gespeist
  • Durch Steuerung des Rotorstroms kann die Drehzahl in einem weiten Bereich variiert werden
  • Die Schlupfleistung wird über den Umrichter ins Netz zurückgespeist (kein Widerstandsverlust!)
  • Dadurch können Windgeschwindigkeitsschwankungen optimal genutzt werden
Windkraft-Technik: Bei Windkraftanlagen mit DFIG-Technik ist nur ein Teilumrichter nötig (etwa 30 % der Generatorleistung), der den Rotorkreis speist. Das ist deutlich günstiger als ein Vollumrichter, der die gesamte Leistung umsetzen müsste. Diese Bauart war lange Zeit Standard bei Windkraftanlagen im Megawatt-Bereich.

5. Weitere Anwendungen

Anwendung Grund für Schleifringläufer
Bandantriebe Hohes Anzugsmoment, Drehzahlstellung
Mühlen, Brecher Hohe Anlaufmomente bei schweren Lasten
Kompressoren (alte Bauart) Sanfter Anlauf, Strombegrenzung
Prüfstände Variable Drehzahl, Drehmomentregelung

Wann NICHT verwenden?

Der Schleifringläufer ist nicht geeignet für:

  • Einfache Dauerlauf-Anwendungen (Pumpen, Lüfter) → Käfigläufer ist besser
  • Hochdynamische Antriebe mit häufigen Lastwechseln → Servomotoren sind besser
  • Staubige oder explosive Umgebungen → Funkenbildung an Bürsten problematisch
  • Wartungsfreie, langlebige Installationen → Käfigläufer mit Frequenzumrichter ist besser
ÖVE/ÖNORM EN 60034-1: Die Norm legt Anforderungen an rotierende elektrische Maschinen fest. Für Schleifringläufermotoren gelten besondere Anforderungen an die Isolierung der Schleifringe und die Kennzeichnung der Rotorklemmen (U₂, V₂, W₂).
Typische Anwendungsbereiche des Schleifringläufers
🏗️ Kran Hohes Anzugsmoment Sanfter Hochlauf Drehzahlstellung Ideal MA bis 3 × MN Strombegrenzung ⚙️ Walzwerk Große Trägheit Hohe Anzugskraft Kontrollierter Anlauf Sehr geeignet Hohe Massen Sanfter Start 🌬️ Windkraft DFIG-Generator Variable Drehzahl Schlupfrückspeisung Modern Teilumrichter Hoher Wirkungsgrad ⚠️ Alte Technik Aufzüge (alt) Kompressoren Bandantriebe Heute ersetzt Käfigläufer + FU wartungsärmer Haupteinsatzgebiete heute: Schwere Anlauflasten (Kräne, Walzwerke) | Windkraftanlagen mit DFIG | Spezialanwendungen
? Verständnisfrage: Warum wird der Schleifringläufer bei modernen Aufzügen kaum noch eingesetzt? ›
Weil Schleifringläufer nicht mehr zugelassen sind
Weil Frequenzumrichter + Käfigläufer wartungsärmer und effizienter sind
Weil das Anlaufmoment zu gering ist
Weil die Leistung zu gering ist

Abschlusstest

12 Fragen zum gesamten Kursinhalt. Wähle jeweils die richtige Antwort.

Frage 01 Was ist der Hauptunterschied zwischen Käfigläufer und Schleifringläufer?
Frage 02 Wie viele Schleifringe benötigt ein Schleifringläufermotor typischerweise?
Frage 03 Welches Bauteil überträgt die elektrische Verbindung vom feststehenden Teil auf den rotierenden Rotor?
Frage 04 Warum hat der Schleifringläufer ein höheres Anlaufmoment als der Käfigläufer?
Frage 05 Was passiert mit dem Anlasswiderstand nach dem Hochlauf des Motors?
Frage 06 Wie wirkt sich eine Vergrößerung des Rotorwiderstands auf die Lage des Kippmoments aus?
Frage 07 Wie kann beim Schleifringläufer die Drehzahl verändert werden?
Frage 08 Warum ist die Drehzahlstellung über Rotorwiderstände bei Dauerbetrieb ungünstig?
Frage 09 In welcher Anwendung ist der Schleifringläufer besonders vorteilhaft?
Frage 10 Was ist ein Nachteil des Schleifringläufers gegenüber dem Käfigläufer?
Frage 11 Was bedeutet DFIG im Zusammenhang mit Windkraftanlagen?
Frage 12 Welche österreichische Norm regelt Anforderungen an rotierende elektrische Maschinen wie den Schleifringläufer?

Fragen bei mündlicher Prüfung

Typische Prüfungsfragen mit vollständigen Musterantworten. Klappe die Fragen auf, um die Antworten zu sehen.

01 Erklären Sie den grundlegenden Aufbau eines Schleifringläufermotors. ›

Der Schleifringläufermotor besteht aus zwei Hauptteilen:

  • Stator: Wie beim Käfigläufer – enthält die Drehstromwicklung, die das Drehfeld erzeugt
  • Rotor: Besitzt eine vollwertige Drehstromwicklung mit drei Strängen (U₂, V₂, W₂), die in Stern geschaltet sind

Die Rotorwicklung wird über drei Schleifringe nach außen geführt. Die Schleifringe sind auf der Rotorwelle montiert und drehen sich mit. Darauf liegen feststehende Kohlebürsten, die über Federdruck einen elektrischen Kontakt herstellen.

Über die Schleifringe kann ein Anlasswiderstand in den Rotorkreis geschaltet werden, um das Anlaufverhalten zu verbessern und die Drehzahl zu stellen.

02 Warum werden beim Schleifringläufer genau drei Schleifringe benötigt? ›

Die Rotorwicklung ist eine Drehstromwicklung mit drei Strängen, die in Sternschaltung verbunden sind.

  • Die drei Außenleiter (U₂, V₂, W₂) müssen einzeln zugänglich sein
  • Der Sternpunkt ist intern im Rotor verbunden und nicht zugänglich
  • Daher werden genau drei Schleifringe benötigt – einer pro Außenleiter

Würde man eine Dreieckschaltung verwenden, bräuchte man ebenfalls drei Schleifringe, da auch hier drei Knotenpunkte zugänglich sein müssen.

03 Wie funktioniert der Anlasswiderstand und warum erhöht er das Anlaufmoment? ›

Der Anlasswiderstand ist ein außerhalb des Motors angeordneter, meist stufbarer Widerstand, der über die Schleifringe in den Rotorkreis geschaltet wird.

Funktionsweise:

  • Beim Start ist der Widerstand maximal eingeschaltet
  • Während des Hochlaufs wird er stufenweise kurzgeschlossen
  • Bei Nenndrehzahl ist der Rotor komplett kurzgeschlossen

Warum erhöht er das Anlaufmoment?

Durch den erhöhten Rotorwiderstand verschiebt sich das Kippmoment (maximales Drehmoment) in Richtung Stillstand. Bei optimalem Widerstand liegt Mkipp genau bei n = 0, was das höchste mögliche Anlaufmoment ergibt.

Optimaler Widerstand: Ranl,opt ≈ X2

Gleichzeitig wird der Anlaufstrom begrenzt, da der höhere Widerstand den Stromfluss im Rotor reduziert.

04 Beschreiben Sie den typischen Ablauf beim Anlassen eines Schleifringläufermotors. ›

Schritt 1 – Vorbereitung:

  • Alle Widerstandsstufen sind eingeschaltet (maximaler Widerstand im Rotorkreis)
  • Motor ist noch im Stillstand

Schritt 2 – Einschalten:

  • Stator wird ans Netz geschaltet
  • Motor startet mit hohem Anlaufmoment und begrenztem Strom

Schritt 3 – Stufenweises Kurzschließen:

  • Sobald der Motor eine bestimmte Drehzahl erreicht, wird die erste Widerstandsstufe kurzgeschlossen
  • Der Rotor beschleunigt weiter
  • Nacheinander werden alle Stufen kurzgeschlossen

Schritt 4 – Normalbetrieb:

  • Bei Nenndrehzahl ist der Rotor vollständig kurzgeschlossen
  • Der Motor verhält sich wie ein Käfigläufer
  • Maximaler Wirkungsgrad im Betrieb

Die Umschaltung erfolgt meist automatisch über eine Zeitsteuerung oder drehzahlabhängig.

05 Wie kann mit einem Schleifringläufer die Drehzahl verstellt werden und welche Nachteile hat diese Methode? ›

Prinzip der Drehzahlstellung:

Durch dauerhafte Zuschaltung eines Widerstands im Rotorkreis wird der Schlupf erhöht und damit die Drehzahl verringert.

s = (n₀ – n) / n₀
n = n₀ · (1 – s)

Je größer der Widerstand, desto größer der Schlupf, desto niedriger die Drehzahl.

Nachteile dieser Methode:

  • Hohe Verluste: Die Schlupfleistung wird im Widerstand in Wärme umgesetzt
  • Schlechter Wirkungsgrad: Bei 50 % Drehzahl sinkt der Wirkungsgrad auf etwa 50 %
  • Erwärmung: Der Widerstand muss für die Dauerbelastung ausgelegt sein
  • Nur für kurzzeitigen Betrieb geeignet oder geringe Leistungen

Moderne Alternative: Frequenzumrichter oder Schleifringläufer-Kaskade mit Rückspeisung der Schlupfleistung ins Netz (z. B. bei Windkraftanlagen).

06 Vergleichen Sie Schleifringläufer und Käfigläufer hinsichtlich Anlaufmoment, Wartungsaufwand und Wirkungsgrad. ›

Anlaufmoment:

  • Käfigläufer: Gering (1,5- bis 2,5-faches Nennmoment)
  • Schleifringläufer: Hoch (bis 3-faches Nennmoment möglich)
  • → Vorteil: Schleifringläufer bei schweren Lasten

Wartungsaufwand:

  • Käfigläufer: Praktisch wartungsfrei (nur Lager)
  • Schleifringläufer: Regelmäßige Wartung nötig (Kohlebürsten, Schleifringe reinigen)
  • → Vorteil: Käfigläufer ist wartungsärmer

Wirkungsgrad:

  • Käfigläufer: Hoch (92–96 %), keine zusätzlichen Verluste
  • Schleifringläufer (Rotor kurzgeschlossen): Vergleichbar mit Käfigläufer
  • Schleifringläufer (mit Anlasswiderstand): Deutlich geringer durch Verluste im Widerstand
  • → Vorteil: Käfigläufer bei Dauerbetrieb

Fazit: Der Schleifringläufer wird nur dort eingesetzt, wo seine Vorteile (hohes Anlaufmoment, einfache Drehzahlstellung) die Nachteile überwiegen.

07 Nennen Sie typische Anwendungen für Schleifringläufermotoren und begründen Sie, warum sie dort eingesetzt werden. ›

Kräne und Hebezeuge:

  • Hohes Anlaufmoment zum Anheben schwerer Lasten
  • Sanfter, kontrollierter Hochlauf
  • Begrenzter Anlaufstrom schont das Netz

Walzwerke:

  • Große Massenträgheit der Walzen muss überwunden werden
  • Hohe Anzugskräfte erforderlich
  • Kontrollierter Anlauf ohne Stromspitzen

Windkraftanlagen (DFIG):

  • Variable Drehzahl zur Anpassung an Windgeschwindigkeit
  • Rückspeisung der Schlupfleistung ins Netz über Umrichter
  • Nur Teilumrichter nötig (ca. 30 % der Leistung) → kostengünstiger als Vollumrichter

Aufzüge (ältere Anlagen):

  • Früher für sanften Anlauf und Drehzahlstellung eingesetzt
  • Heute meist durch Frequenzumrichter + Käfigläufer ersetzt
08 Was ist eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine (DFIG) und wo wird sie eingesetzt? ›

DFIG steht für Doubly Fed Induction Generator (doppelt gespeiste Asynchronmaschine).

Funktionsprinzip:

  • Der Stator ist direkt ans Netz angeschlossen
  • Der Rotor wird über einen Frequenzumrichter gespeist
  • Durch Steuerung des Rotorstroms (Frequenz, Amplitude, Phase) kann die Drehzahl in einem weiten Bereich variiert werden
  • Die Schlupfleistung wird über den Umrichter ins Netz zurückgespeist, nicht in Widerständen verheizt

Vorteile:

  • Variable Drehzahl bei hohem Wirkungsgrad
  • Nur ein Teilumrichter nötig (ca. 30 % der Generatorleistung)
  • Deutlich günstiger als ein Vollumrichter

Hauptanwendung: Windkraftanlagen

Die DFIG-Technik ermöglicht es, die Generatordrehzahl an wechselnde Windgeschwindigkeiten anzupassen und dabei immer mit optimaler Effizienz zu arbeiten. Diese Bauart war lange Zeit Standard bei Windkraftanlagen im Megawatt-Bereich.

09 Welche Wartungsarbeiten sind bei einem Schleifringläufermotor erforderlich? ›

Regelmäßige Wartungsarbeiten:

1. Kontrolle und Austausch der Kohlebürsten:

  • Verschleiß der Kohlebürsten prüfen (Mindestlänge beachten)
  • Bei zu kurzen Bürsten: Austausch erforderlich
  • Federnd der Bürsten kontrollieren (ausreichender Anpressdruck)

2. Reinigung der Schleifringe:

  • Bürstenabrieb (Kohlestaub) von den Schleifringen entfernen
  • Oberfläche der Schleifringe auf Riefen oder Verschleiß prüfen
  • Bei starker Verschmutzung oder Beschädigung: Schleifen oder Austausch

3. Prüfung der elektrischen Verbindungen:

  • Anschlüsse am Anlasswiderstand kontrollieren
  • Bürstenkontakte auf festen Sitz prüfen

4. Lager und mechanische Teile:

  • Lagergeräusche prüfen
  • Schmierung kontrollieren
  • Welle auf Schlag oder Unwucht prüfen

Wartungsintervalle:

  • Abhängig von Betriebsstunden und Einsatzbedingungen
  • Typisch: alle 500–2.000 Betriebsstunden Sichtkontrolle
  • Bei hoher Beanspruchung: kürzere Intervalle
10 Welche österreichischen Normen sind beim Betrieb von Schleifringläufermotoren relevant? ›

ÖVE/ÖNORM EN 60034-1:

  • Drehende elektrische Maschinen – Bemessung und Betriebsverhalten
  • Definiert Kennwerte wie Nennmoment, Kippmoment, Anlaufmoment
  • Anforderungen an Isolierung und Kennzeichnung

ÖVE/ÖNORM EN 50110:

  • Betrieb von elektrischen Anlagen
  • Sicherheitsanforderungen beim Arbeiten an elektrischen Betriebsmitteln
  • Wichtig bei Wartung und Instandhaltung

ESV 2012 (Elektroschutzverordnung):

  • Nationale Verordnung für elektrische Betriebsmittel in Österreich
  • Anforderungen an Schutzmaßnahmen
  • Prüfpflichten für elektrische Anlagen

ArbeitnehmerInnenschutzgesetz (ASchG):

  • Arbeitsschutzanforderungen bei Installation und Wartung
  • Persönliche Schutzausrüstung

Maschinen-Sicherheitsverordnung (MSV):

  • Gilt für Maschinen mit Schleifringläuferantrieb
  • Sicherheitsanforderungen an Antriebssysteme

Formelsammlung

Schlupf
s = (n₀ – n) / n₀
s: Schlupf [1]
n₀: Synchrondrehzahl [min⁻¹]
n: Läuferdrehzahl [min⁻¹]
Drehzahl aus Schlupf
n = n₀ · (1 – s)
n: Läuferdrehzahl [min⁻¹]
n₀: Synchrondrehzahl [min⁻¹]
s: Schlupf [1]
Synchrondrehzahl
n₀ = f / p
n₀: Synchrondrehzahl [s⁻¹]
f: Netzfrequenz [Hz]
p: Polpaarzahl [1]
Umrechnung: n₀[min⁻¹] = 60 · n₀[s⁻¹]
Optimaler Anlasswiderstand
Ranl,opt ≈ X₂
Ranl,opt: Optimaler Anlasswiderstand [Ω]
X₂: Reaktanz der Rotorwicklung [Ω]
Bei diesem Widerstand liegt Mkipp im Stillstand
Verlustleistung bei Drehzahlstellung
PVerlust = Pmech · s / (1 – s)
PVerlust: Verlustleistung im Widerstand [W]
Pmech: Mechanische Leistung [W]
s: Schlupf [1]
Drehmoment
M = P / (2π · n)
M: Drehmoment [Nm]
P: Leistung [W]
n: Drehzahl [s⁻¹]
Umrechnung: n[s⁻¹] = n[min⁻¹] / 60

Glossar

  • Anlasswiderstand: Externer, meist stufbarer Widerstand, der beim Anlauf in den Rotorkreis geschaltet wird, um das Anlaufmoment zu erhöhen und den Anlaufstrom zu begrenzen.
  • Asynchronmotor: Elektromotor, bei dem die Drehzahl des Läufers (Rotor) niedriger ist als die Synchrondrehzahl des Drehfelds. Die Differenz wird als Schlupf bezeichnet.
  • DFIG: Doubly Fed Induction Generator – doppelt gespeiste Asynchronmaschine, bei der sowohl Stator als auch Rotor (über Umrichter) gespeist werden. Hauptanwendung: Windkraftanlagen.
  • Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie (M-n-Kennlinie): Grafische Darstellung des Drehmomentverlaufs über der Drehzahl. Zeigt Anlaufmoment, Kippmoment und Betriebsbereich.
  • Käfigläufer: Bauart des Asynchronmotors mit kurzgeschlossenem Rotor (Käfigwicklung). Einfach, robust und wartungsfrei.
  • Kippmoment (Mkipp): Maximales Drehmoment, das der Motor liefern kann. Bei Überschreitung kippt der Motor ab (bricht zusammen).
  • Kohlebürsten: Feststehende, federnd gelagerte Kontaktelemente aus Kohle oder Graphit, die auf den rotierenden Schleifringen aufliegen und die elektrische Verbindung herstellen.
  • Rotorwicklung: Beim Schleifringläufer: Drehstromwicklung im Rotor, die über Schleifringe zugänglich ist. Beim Käfigläufer: Kurzschlusswicklung (Käfig).
  • Schleifringläufer: Bauart des Asynchronmotors, bei der die Rotorwicklung über Schleifringe nach außen geführt ist. Ermöglicht Zuschaltung von Anlasswiderständen und Drehzahlstellung.
  • Schleifringe: Auf der Rotorwelle montierte, elektrisch leitfähige Ringe (meist aus Messing oder Kupfer), auf denen die Kohlebürsten schleifen. Dienen zur Übertragung elektrischer Signale vom rotierenden auf den feststehenden Teil.
  • Schlupf (s): Differenz zwischen Synchrondrehzahl und Läuferdrehzahl, bezogen auf die Synchrondrehzahl. s = (n₀ – n) / n₀
  • Sternschaltung: Schaltungsart, bei der die drei Wicklungsstränge an einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden sind. Die drei Außenleiter sind zugänglich.
  • Synchrondrehzahl (n₀): Drehzahl des magnetischen Drehfelds im Stator. Hängt ab von Netzfrequenz und Polpaarzahl: n₀ = f / p

Stand & Quellen

  • Normen: ÖVE/ÖNORM EN 60034-1 (Drehende elektrische Maschinen), ÖVE/ÖNORM EN 50110 (Betrieb elektrischer Anlagen), ESV 2012 (Elektroschutzverordnung)
  • Gesetze: ArbeitnehmerInnenschutzgesetz (ASchG), Maschinen-Sicherheitsverordnung (MSV)
  • Erstellungsdatum: April 2026
  • Zielgruppe: Mechatroniker-Lehrlinge, Elektrotechniker in Ausbildung
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