Käfigläufer-Asynchronmotor (Kurzschlussläufer)

Im Stator des Asynchronmotors erzeugt der Drehstrom ein magnetisches Drehfeld, das mit der Synchrondrehzahl umläuft. Genau dieses Drehfeld ist das, was den Käfig im Inneren des Motors „antreibt“ — und zwar ohne dass irgendein Strom direkt in den Läufer eingespeist werden müsste.

Das funktioniert über Induktion. Das Drehfeld bewegt sich relativ zum (noch stehenden oder langsamer drehenden) Käfig und induziert in jedem einzelnen Stab eine Spannung. Weil alle Stäbe an beiden Enden durch die Kurzschlussringe miteinander verbunden sind, fließt sofort ein Strom durch die Stäbe. Und ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld erfährt eine Kraft — die Lorentzkraft. Diese Kräfte wirken über alle Stäbe gemeinsam tangential auf den Läufer und ergeben das Drehmoment, das die Welle dreht.

Der Käfigläufer dreht sich dabei immer etwas langsamer als das Drehfeld. Würde er exakt synchron laufen, gäbe es keine Relativbewegung mehr — keine Induktion, kein Strom, kein Drehmoment. Die Differenz zwischen Drehfeld und Läufer heißt Schlupf und ist ein eigenes Thema mit eigenem Beitrag.

Die Drehzahl des Drehfelds — die Synchrondrehzahl — lässt sich direkt aus Netzfrequenz und Polpaarzahl berechnen:

Ein zweipoliger Motor (p = 1) am 50-Hz-Netz hat also 3000 min⁻¹ Synchrondrehzahl, ein vierpoliger (p = 2) genau 1500 min⁻¹. Der Käfigläufer dreht im Betrieb knapp darunter.

Ablauf im Käfig in fünf Schritten:

1. Das Drehfeld bewegt sich relativ zum Läufer.
2. In jedem Stab wird eine Spannung induziert.
3. Über die beiden Kurzschlussringe fließt Strom durch die Stäbe.
4. Im Magnetfeld wirkt auf jeden stromführenden Stab eine Lorentzkraft.
5. Die Summe aller Stab-Kräfte ergibt das Drehmoment an der Welle.

Mechanisch besteht der Läufer aus drei Hauptbestandteilen: dem Läuferblechpaket, den Läuferstäben und den beiden Kurzschlussringen. Dazu kommen Welle, Lagerung und meist ein angegossener oder aufgesetzter Lüfter.

Das Läuferblechpaket ist auf die Welle aufgepresst und besteht aus dünnen, gegeneinander isolierten Elektroblechen — das hält die Wirbelstromverluste klein. Außen am Blechpaket sind die Nuten eingestanzt, in denen später die Stäbe sitzen. Diese Nuten liegen nicht achsparallel, sondern leicht schräg — die sogenannte Schrägung. Sie reduziert magnetische Rastmomente (der Läufer zieht sich sonst in bestimmte Stellungen) und dämpft die Brummgeräusche, weil die Wechselwirkung zwischen Stator- und Läuferzähnen sanfter abläuft.

Bei den Stäben gibt es zwei Bauweisen:

• Aluminium-Druckguss. Standard im Großserienbau bis in den mittleren Leistungsbereich. Das flüssige Aluminium wird in einem Arbeitsgang in die Nuten gepresst und bildet dabei gleichzeitig beide Kurzschlussringe und oft auch die Lüfterflügel mit aus. Sehr kostengünstig, sehr robust.
• Kupferstäbe. Bei größeren Leistungen, höheren Wirkungsgradklassen und speziellen Anforderungen werden Kupferstäbe einzeln in die Nuten eingelegt und an beiden Enden mit Kupferringen verlötet oder verschweißt. Kupfer hat einen geringeren spezifischen Widerstand als Aluminium — weniger Stromwärmeverluste, höherer Wirkungsgrad, aber aufwendiger und teurer.

Egal ob Alu oder Kupfer: Die beiden Endringe sind die entscheidenden Bauteile. Erst sie schließen die Stäbe elektrisch kurz und machen daraus eine in sich geschlossene Wicklung. Genau das ist der Grund für den Namen Kurzschlussläufer: Der Läufer hat zwar eine Wicklung, aber sie ist von Haus aus kurzgeschlossen — kein Anschluss nach außen, keine Bürsten, keine Schleifringe.

Auf den ersten Blick könnte man meinen, der Käfig sei immer gleich aufgebaut. Tatsächlich gibt es deutliche Unterschiede in der Form der Nuten — und damit der Stäbe. Der Grund: Beim Anlauf verhält sich der Stab elektrisch anders als im Nennbetrieb. Wer diesen Effekt geschickt nutzt, bekommt einen Motor, der ohne externe Hilfe ein höheres Anlaufmoment bei kleinerem Anlaufstrom liefert.

Warum verhält sich der Stab beim Anlauf anders?

Im Käfig fließt Wechselstrom — und Wechselstrom verteilt sich in einem dicken Leiter nicht gleichmäßig, sondern drängt sich mit steigender Frequenz an die Außenseite. Dieser Effekt heißt Stromverdrängung. Entscheidend ist hier die Frequenz im Läufer, die Läuferfrequenz f_2:

Im Stillstand ist s = 1, also läuft das Drehfeld mit voller Geschwindigkeit am stehenden Käfig vorbei. Die Läuferfrequenz ist genauso hoch wie die Netzfrequenz, in Österreich also 50 Hz. Bei dieser hohen Frequenz wird der Strom kräftig nach außen an den Rand des Stabs gedrückt — der Querschnitt wird elektrisch nur teilweise genutzt, der wirksame Widerstand des Stabs ist hoch.

Im Nennbetrieb liegt der Schlupf je nach Motorgröße bei wenigen Prozent. Die Läuferfrequenz f_2 sinkt auf typisch 1 Hz bis 3 Hz, die Stromverdrängung verschwindet praktisch vollständig. Der Stab wird über seinen ganzen Querschnitt genutzt, der Widerstand ist niedrig, die Verluste klein.

Genau dieses unterschiedliche Verhalten lässt sich durch die Form des Stabs gezielt verstärken.

Die wichtigsten Nutformen

Rundstabläufer. Der einfache Standard. Der Strom verteilt sich beim Anlauf nur schwach ungleichmäßig, die Verdrängung is gering. Konsequenz: niedriger Läuferwiderstand, hoher Anlaufstrom, vergleichsweise geringes Anlaufmoment. Häufig bei kleinen Motoren und einfachen Anwendungen.

Hochstabläufer. Statt eines runden Stabs ein hoher, schmaler Rechteckstab. Im Anlauf wird der Strom nach oben (Richtung Luftspalt) verdrängt — der wirksame Querschnitt schrumpft, der Widerstand steigt deutlich. Damit sinkt der Anlaufstrom, das Anlaufmoment steigt. Im Nennbetrieb mit kleinem Schlupf entfällt die Verdrängung weitgehend, der ganze Stab wird genutzt — guter Wirkungsgrad.

Doppelstabläufer oder Doppelkäfigläufer. Zwei Stäbe übereinander in derselben Nut: oben ein kleiner Stab mit höherem Widerstand (der Anlaufstab, oft aus Messing oder dünn dimensioniert), unten ein größerer Stab mit geringem Widerstand (der Betriebsstab). Beim Anlauf wird durch die Verdrängung der Strom in den oberen Anlaufstab gedrängt — hoher Widerstand, hohes Anlaufmoment. Im Nennbetrieb fließt der Strom überwiegend im unteren Betriebsstab — niedriger Widerstand, gute Wirkungsgradwerte. Sehr leistungsfähig, fertigungstechnisch aufwendiger.

Keilstab oder andere Sonderformen. Kompromisslösungen, die je nach Anwendung zwischen Anlaufverhalten und Wirkungsgrad gewichten.

Aus dem Aufbau und der Stromverdrängung folgt das typische Betriebsverhalten des Käfigläufers. Drei Größen sind dabei besonders praxisrelevant: der Anlaufstrom, das Anlaufmoment und das Kippmoment.

Anlaufstrom

Beim Einschalten am Netz ist der Läufer noch in Ruhe. Die hohe Läuferfrequenz führt zu großen induzierten Spannungen, und weil der Läuferwiderstand klein ist, fließen entsprechend hohe Ströme — sowohl im Käfig als auch in der Statorwicklung. Der Anlaufstrom ist daher ein Vielfaches des Nennstroms:

In der Praxis liegt der Faktor k_A für Käfigläufer typisch zwischen 4 und 8. Kleinere, einfache Motoren mit Rundstab können sogar darüber liegen, hochwertige Doppelstabläufer eher am unteren Ende dieses Bandes. Diese Einschaltstromstöße sind der Grund, warum bei größeren Motoren Anlaufverfahren wie Stern-Dreieck, Sanftanlauf oder Frequenzumrichter eingesetzt werden — eigene Beiträge dazu in der Kategorie Anlauf-, Brems- und Drehzahlverfahren.

Anlaufmoment und Kippmoment

Auch die Drehmomente werden meist als Vielfaches des Nennmoments angegeben. Das Anlaufmoment M_A ist das Moment, das der Motor direkt aus dem Stillstand entwickelt. Das Kippmoment M_K ist der Maximalwert, den der Motor überhaupt liefern kann — wird dieser überschritten, „kippt“ der Motor und bleibt stehen.

Die genaue Form, in der diese Werte über die Drehzahl verteilt sind, ergibt die M-n-Kennlinie des ASM — ein eigenes Thema mit eigenem Beitrag.

Erwärmung und kurzzeitige Belastung

Während des Anlaufs verheizt der Käfig einen erheblichen Teil der zugeführten Energie. Das ist kurzzeitig kein Problem, weil die Stäbe massiv sind und Wärme aufnehmen können. Mehrere Anläufe direkt hintereinander oder ein gegen das volle Last-Drehmoment hochlaufender Motor können die Stäbe und Ringe aber thermisch überlasten — Stichwort Schaltwerksaussetzbetrieb und maximale Anläufe pro Stunde laut Typenschild.

Wirkungsgrad

Käfigläufer sind heute in der EU und damit auch in Österreich für viele Leistungsbereiche zwingend in bestimmten Wirkungsgradklassen ausgeführt. Klassifizierungsgrundlage ist die ÖNORM EN 60034-30-1, die die Klassen IE1 bis IE4 für netzbetriebene Drehstrommotoren festlegt. Inhalt und Mindestanforderungen werden im eigenen Beitrag zu den Wirkungsgradklassen behandelt.

Interaktiv: Kennwerte des Käfigläufers

Aus dem bisher Gesagten ergibt sich, warum der Käfigläufer in der industriellen Praxis derart dominant ist — und wo seine Grenzen liegen.

Vorteile

Der Käfigläufer ist mechanisch denkbar einfach: keine Bürsten, keine Schleifringe, keine Kommutatoren, keine Verschleißteile im Läufer. Daraus folgen geringe Wartungskosten und hohe Lebensdauer. Aluminium-Druckguss erlaubt eine fast vollautomatisierte Großserienfertigung mit niedrigen Stückkosten. Hohe Schutzarten bis IP65 oder höher sind problemlos möglich, weil der Läufer geschlossen ist. Der Wirkungsgrad bei aktuellen Motoren ist hoch, im Direktbetrieb am Netz läuft der Motor leise und ruhig.

Grenzen

Der hohe Anlaufstrom ist die wichtigste Schwäche. Bei größeren Motoren oder schwachen Netzen kommt man ohne Stern-Dreieck-Schaltung, Sanftanlauf oder Frequenzumrichter nicht aus. Zweitens ist die Drehzahl im Direktbetrieb am Netz starr an Netzfrequenz und Polpaarzahl gebunden — variable Drehzahl gibt es nur mit Frequenzumrichter. Drittens lassen sich die elektrischen Eigenschaften des Käfigs von außen nicht beeinflussen, weil keine Verbindung in den Läufer hineinführt. Wer beim Anlauf bewusst einen externen Widerstand zuschalten will, muss zum Schleifringläufer greifen — eigener Beitrag in derselben Unterkategorie.

Typische Anwendungen

Käfigläufer treiben praktisch alles, was in Industrie und Gewerbe mit gleichmäßiger Drehzahl laufen muss: Kreiselpumpen, Lüfter, Kompressoren, Förderbänder, Mischer, Rührwerke, einfache Werkzeugmaschinen, Hebezeuge in Kombination mit polumschaltbaren Wicklungen, Werkstattanlagen. In Kombination mit einem Frequenzumrichter ist der Käfigläufer auch in drehzahlgeregelten Anwendungen Standard geworden — vom Pumpenantrieb mit Druckregelung bis hin zu komplexeren Förderaufgaben.

Abgrenzung Schleifringläufer

Wo der Käfigläufer an Grenzen stößt — sehr hohe Anlaufmomente bei hoher Last, gezielter Einfluss auf den Anlaufstrom durch externe Läuferwiderstände — kommt the Schleifringläufer-Asynchronmotor ins Spiel. Aufbau und Eigenschaften werden im eigenen Beitrag behandelt.