Drehstrom-Asynchronmotor – Aufbau und Funktion

Der Drehstrom-Asynchronmotor, kurz ASM, ist der am weitesten verbreitete Elektromotor in der Industrie. Verlässliche Zahlen schwanken je nach Quelle, doch die meisten elektromechanischen Antriebe in Produktion, Gebäudetechnik und Maschinenbau sind Asynchronmaschinen.

Der Grund liegt im Aufbau. Im Gegensatz zum Gleichstrommotor braucht der ASM weder Kommutator noch Bürsten — zumindest in seiner gängigsten Bauform, dem Käfigläufer. Damit entfällt der größte Verschleißteil klassischer Motoren. Was bleibt, sind im Wesentlichen zwei Wälzlager und der Lüfter. Eine ASM-Wartung beschränkt sich in der Praxis meist auf einen Lagerwechsel nach vielen Betriebsjahren.

Hinzu kommt: Der Motor lässt sich direkt am dreiphasigen Niederspannungsnetz betreiben. Strom rein, Welle dreht — kein Aufwand mit Gleichrichter oder Vorschaltgerät, sofern Drehzahlsteuerung nicht gefragt ist. Wird sie gebraucht, kommt heute ein Frequenzumrichter dazu (eigener Beitrag „Frequenzumrichter – Funktion und Anwendung“).

Der ASM besteht aus zwei mechanisch und elektrisch unabhängigen Hauptteilen: dem feststehenden Ständer (auch Stator) und dem drehbar gelagerten Läufer (auch Rotor). Beide tragen ein Blechpaket — geschichtete, gegeneinander isolierte Eisenbleche, die Wirbelstromverluste klein halten. Volles Material würde sich im Wechselfeld stark erhitzen.

Der Ständer

Der Ständer ist der feststehende Teil. Sein Blechpaket hat innen Nuten, in denen die Ständerwicklung liegt — drei voneinander unabhängige Wicklungsstränge, räumlich um 120° gegeneinander versetzt. Diese drei Stränge werden später vom Drehstrom gespeist.

Außen am Ständer sitzt das Motorgehäuse mit Kühlrippen. Die Wicklungsenden werden in den Klemmenkasten geführt und dort an sechs Anschlussklemmen aufgelegen: U1, V1, W1 als Stranganfänge und U2, V2, W2 als Strangenden. Über diese sechs Klemmen lässt sich die Wicklung in Stern oder Dreieck schalten — eigener Beitrag „Motoranschluss und Klemmenbrett“.

Der Läufer

Der Läufer sitzt auf der Welle und dreht sich im Inneren des Ständers, getrennt durch einen schmalen Luftspalt von typisch 0,2 bis 1 mm. Auch der Läufer hat ein Blechpaket mit Nuten — aber statt einer Drahtwicklung wie im Ständer trägt er meist einen Käfigläufer: blanke Aluminium- oder Kupferstäbe in den Nuten, an beiden Enden durch kurzschließende Ringe verbunden. Der Käfig ist mechanisch und elektrisch sehr robust.

Daneben gibt es den Schleifringläufer mit echter Drahtwicklung, deren Enden über Schleifringe nach außen geführt sind. Beide Bauformen sind in eigenen Beiträgen ausführlich behandelt.

Mechanische Komponenten

Welle, Lager, Lagerschilde und Lüfter ergänzen die elektrisch aktiven Teile. Wälzlager — meist Rillenkugellager — tragen die Welle und sind die einzigen nennenswerten Verschleißteile am Käfigläufer-ASM. Der Eigenlüfter sitzt auf der Welle und drückt Kühlluft über die Gehäuserippen.

Bevor wir zum Funktionsablauf kommen, ein Satz zum Drehfeld: Die drei zeitlich um 120° versetzten Ströme in den drei räumlich um 120° versetzten Wicklungen erzeugen im Inneren des Ständers ein magnetisches Feld, das mit konstantem Betrag im Kreis herumläuft. Wie das physikalisch zustande kommt, ist im eigenen Beitrag „Drehfeld“ ausführlich beschrieben. Für den ASM brauchen wir nur das Ergebnis: ein rotierendes Magnetfeld im Luftspalt.

Damit beginnt der eigentliche Funktionsablauf in vier Schritten.

Schritt 1 – Drehfeld läuft am stillstehenden Läufer vorbei
Der Motor wird eingeschaltet, das Drehfeld baut sich im Ständer auf und rotiert sofort mit voller Geschwindigkeit. Der Läufer steht zunächst still.

Schritt 2 – Spannung wird im Läufer induziert
Da das Magnetfeld an den Läuferleitern vorbeizieht, „schneidet“ es deren Leiterquerschnitt. Genau das ist die Bedingung für elektromagnetische Induktion: ändert sich der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife, wird eine Spannung induziert. Die Läuferstäbe sind diese Leiter, das vorbeiziehende Drehfeld liefert die Flussänderung.

Schritt 3 – Strom fließt im kurzgeschlossenen Läufer
Beim Käfigläufer über die Kurzschlussringe verbunden. Die induzierte Spannung treibt deshalb einen sehr hohen Strom durch die Läuferstäbe. Im Schleifringläufer fließt der Strom über die geschlossene äußere Wicklung — funktional dasselbe Bild.

Schritt 4 – Lorentzkraft erzeugt Drehmoment
Die stromdurchflossenen Läuferstäbe stecken im Magnetfeld des Ständers. Auf jeden stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft — die Lorentzkraft. Diese Kräfte greifen tangential am Läuferumfang an und erzeugen ein Drehmoment, das den Läufer in Richtung des Drehfeldes beschleunigt.

Warum „asynchron“?

Der Läufer beschleunigt — kann das Drehfeld aber prinzipiell nie ganz einholen. Würde er exakt mit Drehfeld-Geschwindigkeit drehen, hätten die Läuferstäbe relativ zum Drehfeld keine Bewegung mehr. Damit gäbe es keine Flussänderung, keine induzierte Spannung, keinen Strom — und keine Kraft. Der Motor würde sofort verzögern.

Im Betrieb stellt sich deshalb eine Läuferdrehzahl ein, die etwas kleiner ist als die Drehfeld-Drehzahl. Genau diese Differenz heißt Schlupf, und genau deshalb heißt der Motor „asynchron“: Läufer- und Drehfeld-Drehzahl sind nicht synchron.

Mit dem Funktionsprinzip im Hinterkopf werden die zentralen Drehzahlgrößen des ASM einfach.

Synchrondrehzahl

Die Synchrondrehzahl n_s ist die Drehzahl, mit der das Drehfeld im Ständer rotiert. Sie hängt nur von der Netzfrequenz f und der Polpaarzahl p der Wicklung ab — nicht von der Last, nicht von der Bauart des Läufers.

Die Polpaarzahl beschreibt, wie viele magnetische Polpaare die Ständerwicklung erzeugt. Eine 2-polige Wicklung (1 Polpaar) hat einen Nord- und einen Südpol, ein 4-poliger Motor zwei Nord- und zwei Südpole, und so weiter. Die Polzahl 2p ist die Gesamtzahl der Pole.

Bei der in Österreich üblichen Netzfrequenz von 50 Hz ergeben sich folgende Synchrondrehzahlen:

Schlupf

Wie im vorigen Kapitel erklärt, dreht der Läufer immer langsamer als das Drehfeld. Die relative Differenz zwischen Synchrondrehzahl und tatsächlicher Läuferdrehzahl ist der Schlupf s. Er wird üblicherweise in Prozent angegeben.

Im Nennbetrieb liegt der Schlupf bei Standard-ASM typisch zwischen 2 % und 8 %. Kleine Motoren haben tendenziell höheren Schlupf, große Motoren niedrigeren. Im Leerlauf — fast keine Last — liegt der Schlupf nahe null, im Stillstand bei Anlauf bei 100 %.

Nenndrehzahl

Die Nenndrehzahl ist die Drehzahl, die der Motor unter Nennlast liefert. Sie steht auf dem Typenschild und liegt knapp unter der Synchrondrehzahl. Daraus lässt sich die Polpaarzahl leicht ablesen.

Beispiel: Ein Motor mit Typenschild-Drehzahl 1440/min am 50-Hz-Netz. Die nächst höhere Synchrondrehzahl ist 1500/min — also p = 2, ein 4-poliger Motor. Der Nennschlupf beträgt (1500 − 1440) / 1500 · 100 % = 4 %.

Wer Schlupf und Drehzahl-Kennlinie vertiefen will: eigener Beitrag „Schlupf und M-n-Kennlinie beim ASM“.

Der ASM treibt nahezu alles an, was sich in der Industrie und Gebäudetechnik dreht: Wasserpumpen, Lüfter in Klimaanlagen, Kompressoren, Förderbänder, Hebezeuge, Werkzeugmaschinen, Holzbearbeitung, Mischer in der Lebensmittelindustrie. Vom kleinen Untertischboiler bis zum Bahnantrieb deckt der ASM einen riesigen Leistungsbereich ab.

Stärken

Robustheit ist die wichtigste Eigenschaft. Käfigläufer haben keine elektrisch beanspruchten Verschleißteile — die Stäbe sind aus einem Stück gegossen oder eingeschlagen. Das Lager ist nach vielen Jahren Dauerbetrieb meist die einzige Komponente, die getauscht werden muss.

Wirtschaftlich punktet der ASM durch niedrigen Anschaffungspreis, weil die Bauteile vergleichsweise einfach und in großen Stückzahlen gefertigt werden. Genauso günstig ist die Beschaffung in Standard-Baugrößen — IEC-genormte Wellenenden, Befestigungsmaße und Klemmenkästen erlauben den problemlosen Austausch zwischen Herstellern.

Der Wirkungsgrad moderne ASM-Bauformen ist hoch. Mindestwirkungsgrade sind in Wirkungsgradklassen IE1 bis IE4 definiert — Details siehe eigener Beitrag „Wirkungsgradklassen nach IEC“. In Österreich sind für Neumotoren im allgemeinen Industrieeinsatz mindestens IE3-Wirkungsgrade vorgeschrieben.

Schwächen

Direkt am Netz angefahren zieht der ASM einen sehr hohen Anlaufstrom — typisch das 5- bis 8-Fache des Nennstroms. Das belastet das Netz, kann die Sicherungen kurzzeitig stark beanspruchen und führt bei großen Motoren zu sichtbaren Lichtflackerern im Versorgungsnetz. Deshalb gibt es Anlaufverfahren wie Stern-Dreieck-Anlauf, Sanftanlauf oder Anlauf über Frequenzumrichter — eigener Beitrag „Anlaufverfahren im Überblick“.

Drehzahlsteuerung ist die zweite Schwachstelle. Am festen Netz läuft der ASM praktisch mit fester Drehzahl, da der Schlupf nur wenige Prozent ausmacht. Wer die Drehzahl variieren will, braucht einen Frequenzumrichter, der die Speisefrequenz verändert. Heute ist das Standard — vor 30 Jahren war das ein deutlicher Mehraufwand.